Краткий ответ
В системе орошения на солнечной энергии фотоэлектрические панели PV питают насос, который подаёт воду растениям, обычно через капельные трубки. Рассчитывайте систему по максимальной суточной потребности в воде, полному напору и количеству солнечных часов в наиболее неблагоприятном месяце. Во многих хозяйствах воду закачивают в приподнятый бак, а затем поливают самотёком: это позволяет запасать воду вместо электроэнергии, но требует компонентов капельного полива, рассчитанных на низкое давление.
Что такое система орошения на солнечной энергии?
В системе орошения на солнечной энергии фотоэлектрические панели (PV) питают водяной насос, который поднимает воду из скважины, реки, пруда или бака и подаёт её растениям, обычно через систему капельного орошения. Работа от солнечного света устраняет затраты на топливо и зависимость от электросети, что делает такую систему привлекательной для удалённых полей, небольших хозяйств и регионов с дорогим или ненадёжным электроснабжением.
Насосная подача воды на солнечной энергии хорошо сочетается с капельным орошением: оба решения лучше всего работают при стабильном умеренном расходе, а высокая эффективность капельного полива позволяет использовать менее мощный насос и меньше панелей для той же культуры. Если позволяет рельеф, насос на солнечной энергии часто сочетают с приподнятым баком и самотечным капельным поливом, чтобы поливать растения и при отсутствии солнца. В этом руководстве объясняется, как работает система капельного орошения на солнечной энергии, как её рассчитать и когда достаточно только самотечного полива или полива из бочки с дождевой водой.
Как работает система капельного орошения на солнечной энергии?
Типичная система капельного орошения на солнечной энергии состоит из шести частей:
- Массив фотоэлектрических панелей PV: панели подбирают по потребляемой мощности насоса и устанавливают лицевой стороной к солнцу, иногда на ручном или автоматическом трекере, чтобы увеличить продолжительность работы насоса.
- Контроллер насоса или инвертор: согласует переменную выходную мощность панелей с насосом. Многие контроллеры солнечных насосов регулируют скорость насоса в зависимости от освещённости и имеют защиту от сухого хода и переполнения бака.
- Водяной насос на солнечной энергии: погружной насос для скважин или поверхностный насос для неглубоких колодцев, прудов и каналов. Насосы постоянного тока (DC) подходят для небольших систем; при мощности выше нескольких киловатт часто используют насосы переменного тока (AC) с солнечным инвертором.
- Накопление: приподнятый или наземный бак для запаса воды вместо накопления электроэнергии либо блок аккумуляторов, если полив необходим ночью.
- Головной узел: фильтр, опциональный инжектор удобрений, регулятор давления и клапаны.
- Распределительная сеть: магистральные и распределительные трубопроводы, капельные трубки или капельная лента.
Какую конфигурацию системы орошения на солнечной энергии выбрать?
Распространены три схемы. Выбор зависит от необходимого давления в капельной системе, площади поля и потребности в поливе вне солнечных часов.
| Конфигурация | Как это работает | Преимущества | Ограничения | Оптимальное применение |
|---|---|---|---|---|
| Прямая подача насосом в капельную систему | Насос подаёт воду непосредственно в капельную систему, пока светит солнце | Самый простой и дешёвый вариант; без бака | Расход и давление зависят от солнечного света; полив только днём | Капельный полив с компенсацией давления на малых и средних участках в солнечном климате |
| Насос на солнечной энергии подаёт воду в приподнятый бак, далее — самотечный капельный полив | Насос наполняет бак; капельный полив работает самотёком | Запас воды заменяет аккумуляторы; полив в любое время | Низкое давление ограничивает размер зоны; затраты на бак и подставку | Небольшие хозяйства, овощные культуры, участки на склонах |
| Насос на солнечной энергии с аккумулятором или гибридным питанием | Аккумуляторы либо электросеть/генератор обеспечивают резервное питание в дополнение к массиву PV | Стабильное давление; полив по любому расписанию | Самая высокая стоимость; аккумуляторы требуют замены | Теплицы, высокорентабельные культуры, автоматизированная фертигация |
Для большинства систем капельного орошения в открытом грунте хранение воды в баке — более дешёвое и долговечное решение, чем накопление электроэнергии в аккумуляторах.
Как рассчитать систему орошения с насосом на солнечной энергии?
Расчёт начинают с потребности культуры в воде в самые жаркие дни и последовательно определяют параметры оборудования. Упрощённый метод:
- Оцените максимальную суточную потребность в воде. Умножьте площадь на пиковое водопотребление культуры. Например, овощам на площади 0.5 ha при потреблении примерно 5 mm в сутки требуется около 25 m³ воды в сутки. Местные данные об эвапотранспирации культур, предоставленные службой агроконсультирования, позволят получить более точные значения.
- Определите полный динамический напор. Сложите высоту подъёма от уровня воды в его сезонном минимуме до бака или поля, потери на трение в трубах и фитингах и давление, необходимое капельной системе, выраженное в единицах напора (примерно 10 m напора на bar).
- Разделите суточный объём на эффективное время работы насоса. Количество пиковых солнечных часов зависит от местоположения и сезона и часто составляет около 4–6 часов. При 5 часах работы для подачи 25 m³ в сутки нужен насос производительностью около 5 m³/h.
- Рассчитайте мощность насоса. Гидравлическая мощность равна произведению расхода, напора, плотности воды и ускорения свободного падения. При расходе 5 m³/h и напоре 40 m она составляет примерно 0.55 kW. Чтобы получить потребляемую электрическую мощность, разделите это значение на реалистичный общий КПД преобразования электрической энергии в гидравлическую, который сильно зависит от типа и размера насоса.
- Рассчитайте мощность массива PV. В полевых условиях панели редко выдают номинальную мощность из-за нагрева, пыли и угла установки, поэтому мощность массива обычно выбирают с запасом около 20–50% относительно потребляемой мощности насоса. В данном примере это даёт массив мощностью примерно 1.5–2 kWp.
- Проверьте наиболее неблагоприятный месяц. Рассчитывайте систему для месяца с максимальной потребностью в воде относительно количества солнечного света, а не по среднегодовым показателям.
Выбор эффективной системы капельного орошения снижает все значения в этой цепочке расчётов. В нашем руководстве по проектированию системы капельного орошения подробнее рассмотрены расходы по зонам и размещение поливных линий.
Что такое самотечное капельное орошение?
При самотечном капельном орошении вода поступает в капельные трубки за счёт высоты расположения бака, а не работы насоса. Каждый метр высоты создаёт примерно 0.1 bar (около 1.4 psi) давления, поэтому бак на подставке высотой 2 m обеспечивает на выходе лишь около 0.2 bar без учёта потерь на трение. Это значительно ниже примерно 1 bar, на которые рассчитаны многие стандартные капельницы.
Поэтому для самотечной системы капельного орошения нужны компоненты, рассчитанные на низкое давление:
- Капельная лента или капельницы низкого давления с увеличенными проходными каналами, работающие при малом напоре; обычные капельницы с компенсацией давления часто не открываются должным образом при давлении ниже минимально допустимого.
- Короткие поливные линии и трубы достаточного диаметра для снижения потерь на трение, поскольку важна любая потеря давления.
- Фильтры с малыми потерями давления, которые необходимо часто очищать, поскольку частично засорённый фильтр может поглощать большую часть доступного напора.
- Ровные поля или участки с небольшим уклоном; в поливных линиях, направленных вниз по склону, давление повышается, а в направленных вверх — снижается.
Самотечная система орошения проста, бесшумна и очень надёжна. Её ограничение — площадь: один бак при низком давлении может одновременно снабжать лишь небольшое количество капельниц, поэтому в более крупных хозяйствах поле делят на небольшие зоны и поливают их поочерёдно. Схемы для конкретных культур рассмотрены в материале о капельном орошении овощей и небольших хозяйств.
Работает ли капельный полив из бочки с дождевой водой?
Полив из бочки с дождевой водой — самый маломасштабный вариант самотечного капельного орошения. Бочка, собирающая сток с крыши и установленная на блоках, может снабжать короткую капельную линию или сочащийся шланг для нескольких грядок. Лучше всего такая система работает, когда:
- бочка поднята на максимально возможную на практике высоту, а грядки расположены рядом;
- на выходе установлена мелкая сетка, поскольку вода с крыши содержит песок и органический мусор;
- компоненты капельного полива рассчитаны на низкое давление либо небольшой насос повышает давление в системе капельного полива из бочки.
Небольшой водяной насос на солнечной энергии для полива сада в сочетании с таймером полива на солнечном питании превращает капельную систему с дождевой бочкой в автоматическую. В коммерческих хозяйствах тот же принцип можно масштабировать до прудов и резервуаров для дождевой воды, из которых воду подаёт насос на солнечной энергии.
Как работают фильтрация и фертигация в солнечных и самотечных системах?
Системы низкого давления более чувствительны к потерям напора, поэтому головной узел требует внимания:
- Фильтрация: для прудовой и дождевой воды перед капельными линиями обычно нужна дисковая фильтрация или фильтрация через зернистую загрузку, а потери давления на фильтре должны укладываться в доступный напор. Фильтрам с автоматической обратной промывкой требуется минимальное входное давление, которого самотечные системы могут не обеспечивать. См. руководство по фильтрам для орошения, а для систем с насосом на солнечной энергии и достаточным давлением — такое оборудование, как автоматический дисковый фильтр с зубчатым механизмом.
- Фертигация: инжекторам Вентури необходим значительный перепад давления, которого может не хватать в системах с прямой подачей от солнечного насоса и в самотечных системах. Вместо этого удобрения можно смешивать с водой в накопительном баке или вносить небольшим пропорциональным либо электрическим дозирующим насосом. В нашей статье о фертигации и инжекторах удобрений сравниваются эти варианты.
- Управление: контроллеры, совместимые с солнечным питанием, и таймеры клапанов с питанием от батарей позволяют автоматизировать зоны без подключения к электросети. В материале об умных контроллерах орошения рассмотрены важные функции, в том числе низкое энергопотребление и входы для датчиков уровня воды в баке.
Каковы преимущества и ограничения орошения на солнечной энергии?
Преимущества:
- Отсутствие затрат на топливо и низкие эксплуатационные расходы после установки.
- Работа вдали от электросети без необходимости доставки топлива.
- Максимальная производительность насоса приходится на жаркие солнечные дни, когда растениям требуется больше всего воды.
- Мало движущихся частей по сравнению с мотопомпой; низкий уровень шума и отсутствие выхлопных газов.
Ограничения:
- Более высокие первоначальные затраты, чем на мотопомпу, из-за стоимости панелей, насоса, контроллера, креплений, а также бака или аккумуляторов, если они предусмотрены.
- В пасмурные дни и зимой производительность снижается, поэтому может потребоваться накопление воды или энергии либо резервное питание.
- Панелям нужна защита от кражи и регулярная очистка в пыльных районах.
- Низкая стоимость откачки может стимулировать чрезмерный забор подземных вод. FAO рекомендует сочетать солнечное орошение с планами управления водными ресурсами, чтобы низкие эксплуатационные расходы не приводили к истощению водоносных горизонтов.
Там, где солнечного света мало, потребность в воде очень высока или насос должен работать круглосуточно, практичнее может оказаться установка с двигателем внутреннего сгорания, например система орошения с IoT и приводом от двигателя, либо гибридная система с солнечным питанием.
Могут ли насосы на солнечной энергии обеспечивать полив в теплицах и гидропонных системах?
Да, но с осторожностью. Капельному поливу в теплицах и рециркуляционным гидропонным системам вода нужна по фиксированному графику, часто несколько раз в день, а иногда и после наступления темноты. Поэтому водяному насосу на солнечной энергии для гидропоники обычно требуются аккумуляторы или резервное подключение к электросети. Отказ насоса в канале NFT в жаркий день может повредить растения за несколько часов, поэтому резервирование здесь важнее, чем при полевом орошении.
Для хозяйств с несколькими зонами полива, которым нужны расписание, фертигация и удалённый мониторинг в одном решении, интегрированный головной узел, например наша система орошения и внесения удобрений с IoT для сельхозугодий, может работать от солнечного или гибридного источника питания, если его энергопотребление учтено при расчёте мощности PV.
Контрольный список для планирования солнечного и самотечного орошения
- Тип источника воды, сезонный уровень воды и скорость восстановления уровня в скважине
- Максимальная суточная потребность в воде для выбранной культуры и площади
- Полный динамический напор, включая рабочее давление капельной системы
- Местное количество пиковых солнечных часов в наиболее неблагоприятном месяце
- Необходимость полива ночью или в пасмурные дни
- Доступная высота установки и вместимость бака для самотечного капельного полива
- Требования к фильтрации и фертигации и связанные с ними потери давления
- Местные разрешения на водозабор
Mars Vertical Farm поставляет головные узлы капельного орошения, фильтры и оборудование для фертигации со своего завода в Шанхае и экспортирует продукцию, в том числе в Бразилию, ЮАР, Саудовскую Аравию, Вьетнам и Австралию. Ознакомьтесь с ассортиментом оборудования для орошения, фертигации и водоподготовки или пришлите нам площадь поля, сведения об источнике воды и требуемый напор, чтобы получить предложение по подходящему головному узлу.
