คู่มือระบบให้น้ำพลังงานแสงอาทิตย์: ระบบน้ำหยดพลังงานแสงอาทิตย์และแบบแรงโน้มถ่วง

ระบบให้น้ำพลังงานแสงอาทิตย์คืออะไร?

ระบบให้น้ำพลังงานแสงอาทิตย์ใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV) จ่ายพลังงานให้ปั๊มน้ำที่สูบน้ำจากบ่อ แม่น้ำ สระ หรือถัง แล้วส่งไปยังพืช โดยทั่วไปผ่านระบบน้ำหยด เนื่องจากใช้พลังงานแสงแดด จึงไม่มีค่าเชื้อเพลิงและไม่ต้องพึ่งพาโครงข่ายไฟฟ้า ทำให้เป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับแปลงห่างไกล ฟาร์มรายย่อย และพื้นที่ที่ไฟฟ้ามีราคาแพงหรือจ่ายไฟไม่สม่ำเสมอ

การสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์เหมาะกับระบบน้ำหยด เพราะทั้งสองระบบทำงานได้ดีที่สุดเมื่อมีอัตราการไหลปานกลางและสม่ำเสมอ อีกทั้งประสิทธิภาพสูงของระบบน้ำหยดช่วยให้ใช้ปั๊มขนาดเล็กลงและแผงน้อยลงสำหรับพืชชนิดเดียวกัน หากภูมิประเทศเอื้ออำนวย มักใช้การสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ร่วมกับถังยกระดับและระบบน้ำหยดด้วยแรงโน้มถ่วง เพื่อให้น้ำพืชได้ในช่วงที่ไม่มีแสงแดด คู่มือนี้อธิบายหลักการทำงานของระบบน้ำหยดพลังงานแสงอาทิตย์ วิธีเลือกขนาดระบบ และกรณีที่ระบบให้น้ำด้วยแรงโน้มถ่วงหรือการให้น้ำจากถังเก็บน้ำฝนเพียงอย่างเดียวก็เพียงพอ

ระบบน้ำหยดพลังงานแสงอาทิตย์ทำงานอย่างไร?

ระบบน้ำหยดพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วไปมีองค์ประกอบหกส่วน:

• ชุดแผง PV: เลือกขนาดแผงให้เหมาะกับกำลังไฟฟ้าที่ปั๊มต้องการ ติดตั้งให้หันรับแสงอาทิตย์ บางครั้งติดตั้งบนระบบติดตามดวงอาทิตย์แบบปรับด้วยมือหรืออัตโนมัติเพื่อเพิ่มชั่วโมงการสูบน้ำ
• ตัวควบคุมปั๊มหรืออินเวอร์เตอร์: ปรับกำลังไฟฟ้าที่แปรผันจากแผงให้เหมาะกับปั๊ม ตัวควบคุมปั๊มพลังงานแสงอาทิตย์หลายรุ่นปรับความเร็วปั๊มตามแสงแดด และมีระบบป้องกันการเดินปั๊มแห้งและน้ำเต็มถัง
• ปั๊มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์: ใช้ปั๊มจุ่มสำหรับบ่อบาดาล หรือปั๊มบนดินสำหรับบ่อน้ำตื้น สระ และคลอง ปั๊ม DC เหมาะกับระบบขนาดเล็ก ส่วนปั๊ม AC ที่ใช้อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์พบได้ทั่วไปในระบบที่มีกำลังมากกว่าสองสามกิโลวัตต์
• การกักเก็บ: ใช้ถังยกระดับหรือถังบนพื้นดินเพื่อเก็บน้ำแทนการเก็บไฟฟ้า หรือใช้ชุดแบตเตอรี่ในกรณีที่ต้องให้น้ำตอนกลางคืน
• ชุดควบคุมต้นทาง: ตัวกรอง หัวฉีดปุ๋ยซึ่งเลือกติดตั้งได้ ตัวปรับแรงดัน และวาล์ว
• ระบบจ่ายน้ำ: ท่อประธาน ท่อรองประธาน และสายน้ำหยดหรือเทปน้ำหยด

ควรเลือกรูปแบบระบบให้น้ำพลังงานแสงอาทิตย์แบบใด?

มีรูปแบบที่ใช้กันทั่วไปสามแบบ การเลือกขึ้นอยู่กับแรงดันที่ระบบน้ำหยดต้องการ ขนาดแปลง และความจำเป็นในการให้น้ำนอกช่วงที่มีแสงแดด

สำหรับระบบน้ำหยดกลางแจ้งส่วนใหญ่ การเก็บน้ำในถังมีต้นทุนต่ำกว่าและอายุการใช้งานยาวนานกว่าการเก็บไฟฟ้าในแบตเตอรี่

จะกำหนดขนาดระบบให้น้ำด้วยปั๊มพลังงานแสงอาทิตย์อย่างไร?

การกำหนดขนาดเริ่มจากความต้องการน้ำของพืชในวันที่ร้อนที่สุด แล้วคำนวณย้อนกลับ วิธีแบบง่ายมีดังนี้:

1. ประเมินความต้องการน้ำสูงสุดต่อวัน คูณพื้นที่ด้วยปริมาณการใช้น้ำสูงสุดของพืช ตัวอย่างเช่น แปลงผักขนาด 0.5 ha ที่ใช้น้ำประมาณ 5 mm ต่อวัน ต้องการน้ำประมาณ 25 m³ ต่อวัน ข้อมูลการคายระเหยน้ำของพืชในพื้นที่จากหน่วยงานส่งเสริมการเกษตรจะให้ตัวเลขที่แม่นยำกว่า
2. หาเฮดไดนามิกรวม รวมระยะยกในแนวดิ่งจากระดับน้ำ (ณ จุดต่ำสุดตามฤดูกาล) ถึงถังหรือแปลง การสูญเสียจากแรงเสียดทานในท่อและข้อต่อ และแรงดันที่ระบบน้ำหยดต้องการ (ประมาณเฮด 10 m ต่อ bar)
3. หารด้วยชั่วโมงสูบน้ำที่มีประสิทธิผล ชั่วโมงแสงแดดสูงสุดเทียบเท่าแตกต่างกันตามพื้นที่และฤดูกาล โดยมักอยู่ที่ประมาณ 4–6 ชั่วโมง หากมี 5 ชั่วโมง ความต้องการน้ำ 25 m³ ต่อวัน หมายถึงต้องใช้ปั๊มที่จ่ายน้ำได้ประมาณ 5 m³/h
4. คำนวณกำลังปั๊ม กำลังไฮดรอลิกเท่ากับอัตราการไหลคูณเฮด คูณความหนาแน่นของน้ำ คูณความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง สำหรับอัตราการไหล 5 m³/h ที่เฮด 40 m จะได้ประมาณ 0.55 kW หารด้วยประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานน้ำที่สอดคล้องกับการใช้งานจริง ซึ่งขึ้นอยู่กับชนิดและขนาดปั๊มอย่างมาก เพื่อหากำลังไฟฟ้าขาเข้า
5. กำหนดขนาดชุดแผง PV ในการใช้งานจริง แผงแทบจะไม่จ่ายกำลังได้ตามพิกัดบนป้าย เนื่องจากความร้อน ฝุ่น และมุมติดตั้ง จึงมักกำหนดขนาดชุดแผงให้สูงกว่ากำลังไฟฟ้าขาเข้าของปั๊มประมาณ 20–50% ในตัวอย่างนี้ จะได้ชุดแผงขนาดประมาณ 1.5–2 kWp
6. ตรวจสอบเดือนที่มีสภาวะเสียเปรียบที่สุด กำหนดขนาดให้รองรับเดือนที่มีความต้องการน้ำสูงที่สุดเมื่อเทียบกับปริมาณแสงแดด ไม่ใช่ใช้ค่าเฉลี่ยทั้งปี

การเลือกระบบน้ำหยดที่มีประสิทธิภาพช่วยลดตัวเลขทุกขั้นตอนในการคำนวณนี้ คู่มือวิธีออกแบบระบบน้ำหยดของเราอธิบายอัตราการไหลแต่ละโซนและการวางแนวท่อแขนงอย่างละเอียดเพิ่มเติม

ระบบน้ำหยดด้วยแรงโน้มถ่วงคืออะไร?

ระบบน้ำหยดด้วยแรงโน้มถ่วงใช้ความสูงของถังน้ำแทนปั๊มเพื่อดันน้ำผ่านสายน้ำหยด ความสูงแต่ละเมตรให้แรงดันประมาณ 0.1 bar (ประมาณ 1.4 psi) ดังนั้นถังที่ตั้งบนฐานสูง 2 m จะให้แรงดันที่ทางออกเพียงประมาณ 0.2 bar ก่อนหักการสูญเสียจากแรงเสียดทาน ซึ่งต่ำกว่าแรงดันประมาณ 1 bar ที่หัวน้ำหยดมาตรฐานหลายรุ่นออกแบบไว้มาก

ดังนั้น ระบบน้ำหยดด้วยแรงโน้มถ่วงจึงต้องใช้อุปกรณ์ที่ออกแบบสำหรับแรงดันต่ำ:

• เทปน้ำหยดหรือหัวน้ำหยดสำหรับแรงดันต่ำ ที่มีช่องทางน้ำขนาดใหญ่กว่าและทำงานได้ที่เฮดต่ำ หัวน้ำหยดแบบชดเชยแรงดันทั่วไปมักเปิดได้ไม่เต็มที่เมื่อแรงดันต่ำกว่าค่าขั้นต่ำที่กำหนด
• ท่อแขนงสั้นและท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เพียงพอ เพื่อลดแรงเสียดทาน เนื่องจากการสูญเสียแรงดันแม้เพียงเล็กน้อยก็มีผล
• ตัวกรองที่มีการสูญเสียแรงดันต่ำ และทำความสะอาดบ่อย ๆ เนื่องจากตัวกรองที่อุดตันบางส่วนอาจทำให้สูญเสียเฮดที่มีอยู่เกือบทั้งหมด
• แปลงราบหรือลาดเอียงเล็กน้อย ท่อแขนงที่ไหลลงทางลาดจะมีแรงดันเพิ่มขึ้น ส่วนท่อที่ไหลขึ้นทางลาดจะมีแรงดันลดลง

ระบบให้น้ำด้วยแรงโน้มถ่วงเรียบง่าย เงียบ และเชื่อถือได้มาก ข้อจำกัดคือขนาดพื้นที่ เนื่องจากถังหนึ่งใบและแรงดันต่ำจ่ายน้ำให้หัวน้ำหยดพร้อมกันได้จำนวนจำกัด ฟาร์มขนาดใหญ่จึงแบ่งแปลงเป็นโซนย่อยแล้วให้น้ำสลับกัน สำหรับผังระบบที่เหมาะกับพืชแต่ละชนิด ดูระบบน้ำหยดสำหรับผักและฟาร์มขนาดเล็ก

ระบบน้ำหยดจากถังเก็บน้ำฝนใช้งานได้จริงหรือไม่?

การให้น้ำจากถังเก็บน้ำฝนคือระบบน้ำหยดด้วยแรงโน้มถ่วงในขนาดเล็กที่สุด ถังที่เก็บน้ำฝนจากหลังคาและยกสูงบนก้อนบล็อกสามารถจ่ายน้ำให้สายน้ำหยดหรือสายยางน้ำซึมระยะสั้นสำหรับแปลงปลูกไม่กี่แปลงได้ ระบบจะทำงานได้ดีที่สุดเมื่อ:

• ยกถังให้สูงที่สุดเท่าที่ทำได้จริง และแปลงปลูกอยู่ใกล้ถัง;
• ติดตั้งตะแกรงกรองละเอียดที่ทางออก เนื่องจากน้ำจากหลังคามีเม็ดกรวดทรายและเศษอินทรียวัตถุปะปน;
• ใช้อุปกรณ์น้ำหยดที่รองรับแรงดันต่ำ หรือใช้ปั๊มขนาดเล็กสำหรับระบบน้ำหยดจากถังเก็บน้ำฝนเพื่อเพิ่มแรงดัน

ปั๊มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดเล็กสำหรับให้น้ำสวน เมื่อใช้ร่วมกับเครื่องตั้งเวลาให้น้ำพลังงานแสงอาทิตย์ จะเปลี่ยนระบบน้ำหยดจากถังเก็บน้ำฝนให้เป็นระบบอัตโนมัติ สำหรับผู้ปลูกเชิงพาณิชย์ สามารถขยายหลักการเดียวกันนี้ไปใช้กับสระและถังเก็บน้ำฝนที่จ่ายน้ำให้ปั๊มพลังงานแสงอาทิตย์ได้

การกรองและการให้ปุ๋ยทางระบบน้ำทำงานร่วมกับระบบพลังงานแสงอาทิตย์และระบบแรงโน้มถ่วงอย่างไร?

ระบบแรงดันต่ำรองรับการสูญเสียแรงดันได้น้อยกว่า จึงต้องใส่ใจชุดควบคุมต้นทาง:

• การกรอง: แหล่งน้ำจากสระและน้ำฝนมักต้องใช้ตัวกรองดิสก์หรือตัวกรองวัสดุกรองก่อนเข้าสายน้ำหยด และการสูญเสียแรงดันของตัวกรองต้องอยู่ภายในเฮดที่มีอยู่ ตัวกรองล้างย้อนอัตโนมัติต้องมีแรงดันขาเข้าขั้นต่ำ ซึ่งระบบแรงโน้มถ่วงอาจให้ไม่ได้ ดูคู่มือตัวกรองระบบให้น้ำ และสำหรับระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีแรงดันเพียงพอ อาจใช้อุปกรณ์ เช่น ตัวกรองดิสก์แบบเฟืองอัตโนมัติ
• การให้ปุ๋ยทางระบบน้ำ: หัวฉีดเวนทูรีต้องอาศัยความต่างแรงดันค่อนข้างมาก ซึ่งอาจมีไม่เพียงพอในระบบที่สูบน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์โดยตรงและระบบแรงโน้มถ่วง สามารถผสมปุ๋ยในถังเก็บน้ำแทน หรือฉีดด้วยปั๊มจ่ายสารตามสัดส่วนขนาดเล็กหรือปั๊มจ่ายสารแบบกำหนดปริมาณชนิดไฟฟ้า บทความเรื่องการให้ปุ๋ยทางระบบน้ำและหัวฉีดปุ๋ยของเราเปรียบเทียบทางเลือกเหล่านี้
• การควบคุม: ตัวควบคุมที่รองรับพลังงานแสงอาทิตย์และเครื่องตั้งเวลาวาล์วที่ใช้แบตเตอรี่ช่วยให้โซนให้น้ำทำงานอัตโนมัติได้โดยไม่ต้องใช้ไฟจากโครงข่าย ดูตัวควบคุมระบบให้น้ำอัจฉริยะสำหรับคุณสมบัติที่สำคัญ เช่น การทำงานที่ใช้พลังงานต่ำและอินพุตสัญญาณระดับน้ำในถัง

ระบบให้น้ำพลังงานแสงอาทิตย์มีข้อดีและข้อจำกัดอะไรบ้าง?

ข้อดี:

• ไม่มีค่าเชื้อเพลิงและมีค่าใช้จ่ายในการใช้งานต่ำหลังติดตั้ง
• ใช้งานได้ไกลจากโครงข่ายไฟฟ้า และไม่ต้องจัดหาและขนส่งเชื้อเพลิง
• สูบน้ำได้สูงสุดในวันที่ร้อนและมีแสงแดดจัด ซึ่งเป็นช่วงที่พืชต้องการน้ำมากที่สุด
• มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหวน้อยเมื่อเทียบกับปั๊มที่ใช้เครื่องยนต์ เสียงเบาและไม่มีไอเสีย

ข้อจำกัด:

• ต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่าปั๊มที่ใช้เครื่องยนต์ เนื่องจากค่าแผง ปั๊ม ตัวควบคุม โครงยึดติดตั้ง รวมถึงถังหรือแบตเตอรี่หากมี
• กำลังผลิตลดลงในวันที่มีเมฆมากและในฤดูหนาว จึงอาจต้องมีระบบกักเก็บหรือระบบสำรอง
• แผงโซลาร์เซลล์ต้องมีมาตรการป้องกันการโจรกรรม และต้องทำความสะอาดเป็นประจำในพื้นที่ที่มีฝุ่นมาก
• ต้นทุนการสูบน้ำที่ต่ำอาจกระตุ้นให้สูบน้ำบาดาลมากเกินไป FAO แนะนำให้ใช้ระบบให้น้ำพลังงานแสงอาทิตย์ควบคู่กับแผนบริหารจัดการน้ำ เพื่อไม่ให้ต้นทุนการดำเนินงานที่ต่ำส่งผลให้น้ำในชั้นหินอุ้มน้ำร่อยหรอ

ในพื้นที่ที่มีแสงแดดจำกัด มีความต้องการน้ำสูงมาก หรือต้องสูบน้ำตลอดเวลา อุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ เช่น ระบบให้น้ำ IoT ที่ใช้เครื่องยนต์ หรือระบบไฮบริดที่ใช้ร่วมกับพลังงานแสงอาทิตย์ อาจเหมาะกับการใช้งานจริงมากกว่า

ปั๊มพลังงานแสงอาทิตย์ใช้กับระบบให้น้ำในโรงเรือนและระบบไฮโดรโปนิกส์ได้หรือไม่?

ได้ แต่ต้องใช้อย่างระมัดระวัง ระบบน้ำหยดในโรงเรือนและระบบไฮโดรโปนิกส์แบบหมุนเวียนต้องให้น้ำตามเวลาที่กำหนด มักให้วันละหลายครั้งและบางครั้งหลังมืด ดังนั้น ปั๊มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์สำหรับไฮโดรโปนิกส์จึงมักต้องมีแบตเตอรี่กักเก็บพลังงานหรือเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าไว้สำรอง หากปั๊มในราง NFT ขัดข้องในช่วงบ่ายที่ร้อนจัด พืชอาจเสียหายภายในไม่กี่ชั่วโมง การมีระบบสำรองจึงสำคัญกว่าการให้น้ำในแปลงกลางแจ้ง

สำหรับฟาร์มที่แบ่งเป็นหลายโซนและต้องการตั้งเวลา ให้ปุ๋ยทางระบบน้ำ และติดตามจากระยะไกลในชุดเดียว ชุดควบคุมต้นทางแบบรวมระบบ เช่น ระบบให้น้ำและปุ๋ยในพื้นที่เกษตรด้วย IoT ของเรา สามารถใช้แหล่งจ่ายไฟพลังงานแสงอาทิตย์หรือแบบไฮบริดได้ หากนำความต้องการกำลังไฟของชุดควบคุมมารวมในการกำหนดขนาดระบบ PV

รายการตรวจสอบการวางแผนระบบให้น้ำพลังงานแสงอาทิตย์และแบบแรงโน้มถ่วง

• ประเภทแหล่งน้ำ ระดับน้ำตามฤดูกาล และอัตราการฟื้นตัวของระดับน้ำในบ่อ
• ความต้องการน้ำสูงสุดต่อวันของพืชและพื้นที่ปลูก
• เฮดรวมขณะใช้งาน รวมถึงแรงดันใช้งานของระบบน้ำหยด
• ชั่วโมงแสงแดดสูงสุดเทียบเท่าในพื้นที่ในเดือนที่มีแสงแดดน้อยที่สุด
• จำเป็นต้องให้น้ำในเวลากลางคืนหรือวันที่มีเมฆมากหรือไม่
• ความสูงและความจุถังที่มีให้ใช้สำหรับระบบน้ำหยดด้วยแรงโน้มถ่วง
• ความต้องการด้านการกรองและการให้ปุ๋ยทางระบบน้ำ รวมถึงการสูญเสียแรงดันของระบบเหล่านี้
• ใบอนุญาตนำน้ำมาใช้ตามข้อกำหนดท้องถิ่น

Mars Vertical Farm จัดจำหน่ายชุดควบคุมต้นทางระบบน้ำหยด เครื่องกรอง และอุปกรณ์ให้ปุ๋ยทางระบบน้ำจากโรงงานในเซี่ยงไฮ้ และส่งออกไปยังตลาดต่าง ๆ รวมถึงบราซิล แอฟริกาใต้ ซาอุดีอาระเบีย เวียดนาม และออสเตรเลีย เลือกดูผลิตภัณฑ์ระบบให้น้ำ การให้ปุ๋ยทางระบบน้ำ และการบำบัดน้ำ หรือส่งข้อมูลขนาดแปลง แหล่งน้ำ และเฮดให้เรา เพื่อรับข้อเสนอชุดควบคุมต้นทางที่เหมาะสม

แหล่งอ้างอิง

• FAO: แนวโน้มที่ดีของระบบให้น้ำพลังงานแสงอาทิตย์