Hướng dẫn về hệ thống tưới năng lượng mặt trời: Tưới nhỏ giọt bằng năng lượng mặt trời và trọng lực

Hệ thống tưới năng lượng mặt trời là gì?

Hệ thống tưới năng lượng mặt trời sử dụng các tấm pin quang điện (PV) để cấp điện cho bơm nước, hút nước từ giếng, sông, ao hoặc bồn rồi đưa đến cây trồng, thường qua hệ thống tưới nhỏ giọt. Do hoạt động bằng ánh sáng mặt trời, hệ thống loại bỏ chi phí nhiên liệu và sự phụ thuộc vào điện lưới, nên phù hợp với đồng ruộng ở xa, nông hộ nhỏ và những vùng có điện đắt đỏ hoặc nguồn điện không ổn định.

Bơm năng lượng mặt trời kết hợp rất phù hợp với tưới nhỏ giọt: cả hai hoạt động tốt nhất với lưu lượng ổn định, vừa phải, còn hiệu suất cao của tưới nhỏ giọt giúp giảm công suất bơm và số lượng tấm pin cần dùng cho cùng một loại cây trồng. Khi địa hình cho phép, bơm năng lượng mặt trời thường được kết hợp với bồn trên cao và hệ thống tưới nhỏ giọt tự chảy để có thể tưới cây khi không có nắng. Hướng dẫn này giải thích cách hoạt động và cách tính chọn hệ thống tưới nhỏ giọt năng lượng mặt trời, cùng những trường hợp chỉ cần tưới tự chảy hoặc tưới từ thùng chứa nước mưa là đủ.

Hệ thống tưới nhỏ giọt năng lượng mặt trời hoạt động như thế nào?

Một hệ thống tưới nhỏ giọt năng lượng mặt trời điển hình có sáu bộ phận:

• Dàn pin PV: các tấm pin được tính chọn theo nhu cầu công suất của bơm, lắp hướng về phía mặt trời, đôi khi đặt trên bộ bám mặt trời điều chỉnh thủ công hoặc tự động để kéo dài thời gian bơm.
• Bộ điều khiển bơm hoặc bộ biến tần: điều chỉnh đầu ra biến thiên của các tấm pin cho phù hợp với bơm. Nhiều bộ điều khiển bơm năng lượng mặt trời thay đổi tốc độ bơm theo ánh nắng và có chức năng bảo vệ chống chạy khô, chống tràn bồn.
• Bơm nước năng lượng mặt trời: bơm chìm dùng cho giếng khoan hoặc bơm đặt cạn dùng cho giếng nông, ao và kênh. Bơm DC phù hợp với hệ thống nhỏ; bơm AC kết hợp bộ biến tần năng lượng mặt trời thường được dùng khi công suất vượt vài kilowatt.
• Tích trữ: bồn trên cao hoặc bồn đặt trên mặt đất để tích trữ nước thay vì điện, hoặc một bộ ắc quy khi cần tưới vào ban đêm.
• Cụm thiết bị đầu nguồn: bộ lọc, bộ châm phân tùy chọn, bộ điều áp và các van.
• Phân phối: đường ống chính, đường ống phụ và ống nhỏ giọt hoặc băng tưới nhỏ giọt.

Nên chọn cấu hình tưới năng lượng mặt trời nào?

Có ba cách bố trí phổ biến. Việc lựa chọn phụ thuộc vào áp suất mà hệ thống nhỏ giọt cần, diện tích đồng ruộng và việc có cần tưới ngoài giờ có nắng hay không.

Đối với hầu hết hệ thống tưới nhỏ giọt ngoài đồng, tích trữ nước trong bồn có chi phí thấp hơn và tuổi thọ dài hơn so với tích trữ điện trong ắc quy.

Tính chọn hệ thống bơm nước tưới năng lượng mặt trời như thế nào?

Việc tính chọn bắt đầu từ nhu cầu nước của cây trồng vào những ngày nóng nhất rồi tính ngược lại. Phương pháp đơn giản như sau:

1. Ước tính nhu cầu nước hằng ngày cao nhất. Lấy diện tích nhân với mức sử dụng nước cao nhất của cây trồng. Ví dụ, 0.5 ha rau sử dụng khoảng 5 mm mỗi ngày sẽ cần khoảng 25 m³ mỗi ngày. Dữ liệu bốc thoát hơi nước của cây trồng tại địa phương do cơ quan khuyến nông cung cấp sẽ cho số liệu chính xác hơn.
2. Xác định tổng cột áp động. Cộng độ cao nâng nước từ mực nước nguồn (ở mức thấp nhất theo mùa) đến bồn hoặc đồng ruộng, tổn thất ma sát trong đường ống và phụ kiện, cùng áp suất mà hệ thống nhỏ giọt cần (khoảng 10 m cột áp cho mỗi bar).
3. Chia cho số giờ bơm hiệu quả. Số giờ nắng đỉnh thay đổi theo địa điểm và mùa, thường khoảng 4–6 giờ. Với 5 giờ, nhu cầu 25 m³ mỗi ngày tương ứng với bơm có lưu lượng khoảng 5 m³/h.
4. Tính công suất bơm. Công suất thủy lực bằng lưu lượng nhân với cột áp, khối lượng riêng của nước và gia tốc trọng trường. Với lưu lượng 5 m³/h và cột áp 40 m, công suất này khoảng 0.55 kW. Chia cho hiệu suất chuyển đổi từ điện năng sang năng lượng thủy lực thực tế, vốn phụ thuộc nhiều vào loại và kích cỡ bơm, để tính công suất điện đầu vào.
5. Tính chọn dàn pin PV. Ngoài thực địa, các tấm pin hiếm khi đạt công suất định mức ghi trên nhãn do nhiệt độ, bụi và góc lắp đặt, nên dàn pin thường được chọn có công suất lớn hơn khoảng 20–50% so với công suất đầu vào của bơm. Trong ví dụ này, dàn pin cần có công suất khoảng 1.5–2 kWp.
6. Kiểm tra tháng bất lợi nhất. Tính chọn theo tháng có nhu cầu nước cao nhất so với lượng nắng, thay vì theo mức trung bình năm.

Lựa chọn hệ thống tưới nhỏ giọt hiệu quả giúp giảm mọi thông số trong chuỗi tính toán này. Hướng dẫn cách thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt của chúng tôi trình bày chi tiết hơn về lưu lượng từng khu tưới và cách bố trí các tuyến ống nhánh.

Tưới nhỏ giọt tự chảy là gì?

Tưới nhỏ giọt tự chảy tận dụng độ cao của bồn nước thay cho bơm để đẩy nước qua các ống nhỏ giọt. Mỗi mét độ cao tạo ra khoảng 0.1 bar (khoảng 1.4 psi) áp suất, nên bồn đặt trên giá đỡ cao 2 m chỉ tạo ra khoảng 0.2 bar tại cửa ra trước khi trừ tổn thất ma sát. Mức này thấp hơn nhiều so với áp suất thiết kế khoảng 1 bar của nhiều đầu nhỏ giọt tiêu chuẩn.

Vì vậy, hệ thống tưới nhỏ giọt tự chảy cần các bộ phận được thiết kế cho áp suất thấp:

• Băng tưới nhỏ giọt hoặc đầu nhỏ giọt áp suất thấp có đường dẫn nước lớn hơn để hoạt động ở cột áp thấp; các đầu nhỏ giọt bù áp thông thường thường không mở đúng cách khi áp suất thấp hơn mức tối thiểu.
• Tuyến ống nhánh ngắn và đường kính ống đủ lớn để giảm ma sát, vì ngay cả tổn thất áp suất nhỏ cũng đáng kể.
• Bộ lọc có tổn thất áp suất thấp, được vệ sinh thường xuyên, vì bộ lọc bị tắc một phần có thể làm mất phần lớn cột áp sẵn có.
• Đồng ruộng bằng phẳng hoặc dốc nhẹ; các tuyến ống nhánh đi xuống dốc sẽ tăng áp suất, còn các tuyến đi lên dốc sẽ giảm áp suất.

Hệ thống tưới tự chảy đơn giản, không gây tiếng ồn và rất đáng tin cậy. Hạn chế của hệ thống là diện tích: một bồn nước với áp suất thấp chỉ có thể cấp nước cho số lượng đầu nhỏ giọt hạn chế tại cùng một thời điểm, vì vậy các trang trại lớn hơn chia đồng ruộng thành những khu nhỏ để tưới luân phiên. Để xem cách bố trí theo từng loại cây trồng, hãy tham khảo tưới nhỏ giọt cho rau và trang trại nhỏ.

Tưới nhỏ giọt từ thùng chứa nước mưa có hiệu quả không?

Tưới từ thùng chứa nước mưa là hình thức tưới nhỏ giọt tự chảy ở quy mô nhỏ nhất. Một thùng thu nước chảy từ mái, được kê cao trên các khối đỡ, có thể cấp nước cho một tuyến ống nhỏ giọt hoặc ống tưới thấm ngắn để tưới vài luống. Hệ thống hoạt động tốt nhất khi:

• thùng được kê cao nhất có thể trong điều kiện thực tế và các luống ở gần;
• cửa ra được lắp lưới lọc mịn, vì nước từ mái mang theo cát sạn và vụn hữu cơ;
• các bộ phận nhỏ giọt được thiết kế cho áp suất thấp, hoặc có một bơm tưới nhỏ giọt nhỏ dùng cho thùng nước mưa để tăng áp suất.

Một bơm nước năng lượng mặt trời nhỏ dùng để tưới vườn, kết hợp với bộ hẹn giờ tưới năng lượng mặt trời, sẽ biến hệ thống tưới nhỏ giọt từ thùng nước mưa thành hệ thống tự động. Với các cơ sở trồng trọt thương mại, nguyên lý tương tự có thể được mở rộng thành ao và bồn chứa nước mưa cấp nước cho bơm năng lượng mặt trời.

Lọc nước và tưới kết hợp bón phân hoạt động như thế nào trong hệ thống năng lượng mặt trời và hệ thống tự chảy?

Hệ thống áp suất thấp chịu tổn thất kém hơn, vì vậy cần chú ý đến cụm thiết bị đầu nguồn:

• Lọc nước: nguồn nước ao và nước mưa thường cần lọc đĩa hoặc lọc qua lớp vật liệu trước các ống nhỏ giọt, và tổn thất áp suất của bộ lọc phải nằm trong giới hạn cột áp sẵn có. Bộ lọc rửa ngược tự động cần áp suất đầu vào tối thiểu mà hệ thống tự chảy có thể không đáp ứng được. Xem hướng dẫn về bộ lọc tưới; với hệ thống bơm năng lượng mặt trời có đủ áp suất, có thể tham khảo thiết bị như bộ lọc đĩa bánh răng tự động.
• Tưới kết hợp bón phân: bộ hút phân venturi cần chênh lệch áp suất đáng kể, trong khi hệ thống dùng trực tiếp năng lượng mặt trời và hệ thống tự chảy có thể khó đáp ứng mức chênh lệch này. Thay vào đó, có thể pha phân bón trong bồn chứa hoặc châm bằng bơm định lượng theo tỷ lệ hay bơm định lượng điện loại nhỏ. Bài viết về tưới kết hợp bón phân và bộ châm phân của chúng tôi so sánh các lựa chọn này.
• Điều khiển: bộ điều khiển tương thích với nguồn điện mặt trời và bộ hẹn giờ van dùng pin có thể tự động hóa các khu tưới mà không cần điện lưới. Xem bộ điều khiển tưới thông minh để tìm hiểu các tính năng cần thiết, như vận hành với mức tiêu thụ điện thấp và đầu vào tín hiệu mực nước bồn.

Tưới năng lượng mặt trời có những ưu điểm và hạn chế nào?

Ưu điểm:

• Không tốn chi phí nhiên liệu và có chi phí vận hành thấp sau khi lắp đặt.
• Hoạt động được ở xa lưới điện và không cần tổ chức vận chuyển, cung ứng nhiên liệu.
• Khả năng bơm đạt cao nhất vào những ngày nắng nóng, cũng là lúc cây trồng cần nhiều nước nhất.
• Ít bộ phận chuyển động hơn so với bơm chạy bằng động cơ đốt trong; ít tiếng ồn và không có khí thải.

Hạn chế:

• Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn bơm chạy bằng động cơ đốt trong, do chi phí tấm pin, bơm, bộ điều khiển, hệ thống lắp đặt và bồn hoặc ắc quy nếu có.
• Sản lượng giảm vào những ngày nhiều mây và mùa đông, nên có thể cần tích trữ hoặc nguồn dự phòng.
• Các tấm pin cần được bảo vệ chống trộm và vệ sinh thường xuyên tại những nơi nhiều bụi.
• Chi phí bơm thấp có thể khuyến khích khai thác nước ngầm quá mức. FAO khuyến nghị kết hợp tưới năng lượng mặt trời với kế hoạch quản lý nước để chi phí vận hành thấp không dẫn đến suy kiệt tầng chứa nước.

Ở nơi ít nắng, nhu cầu rất cao hoặc phải bơm liên tục cả ngày đêm, thiết bị chạy bằng động cơ đốt trong như hệ thống tưới IoT chạy bằng động cơ đốt trong, hoặc hệ thống kết hợp với năng lượng mặt trời, có thể thực tế hơn.

Bơm năng lượng mặt trời có thể cấp nước tưới cho nhà kính và hệ thống thủy canh không?

Có, nhưng cần thận trọng. Tưới nhỏ giọt trong nhà kính và thủy canh tuần hoàn cần được cấp nước theo lịch cố định, thường nhiều lần mỗi ngày và đôi khi cả sau khi trời tối. Vì vậy, bơm nước năng lượng mặt trời dùng cho thủy canh thường cần ắc quy tích trữ hoặc kết nối điện lưới để dự phòng. Sự cố bơm của máng NFT vào một buổi chiều nóng có thể gây hại cho cây trồng chỉ trong vài giờ, nên khả năng dự phòng quan trọng hơn so với tưới ngoài đồng.

Với các trang trại có nhiều khu tưới muốn tích hợp lập lịch, tưới kết hợp bón phân và giám sát từ xa trong một hệ thống, cụm thiết bị đầu nguồn tích hợp như hệ thống tưới và bón phân IoT cho đồng ruộng của chúng tôi có thể dùng nguồn điện mặt trời hoặc nguồn điện kết hợp nếu nhu cầu công suất của cụm được đưa vào tính toán dàn pin PV.

Danh mục kiểm tra khi lập kế hoạch tưới năng lượng mặt trời và tưới tự chảy

• Loại nguồn nước, mực nước theo mùa và tốc độ phục hồi mực nước giếng
• Nhu cầu nước hằng ngày cao nhất theo cây trồng và diện tích
• Tổng cột áp động, bao gồm áp suất vận hành của hệ thống nhỏ giọt
• Số giờ nắng đỉnh tại địa phương trong tháng bất lợi nhất
• Có cần tưới vào ban đêm hoặc những ngày nhiều mây hay không
• Độ cao và dung tích bồn sẵn có cho tưới nhỏ giọt tự chảy
• Nhu cầu lọc nước, tưới kết hợp bón phân và tổn thất áp suất tương ứng
• Giấy phép khai thác nước tại địa phương

Mars Vertical Farm cung cấp cụm thiết bị đầu nguồn tưới nhỏ giọt, bộ lọc và thiết bị tưới kết hợp bón phân từ nhà máy tại Thượng Hải, đồng thời xuất khẩu sang các thị trường gồm Brazil, Nam Phi, Ả Rập Xê Út, Việt Nam và Úc. Xem danh mục thiết bị tưới, tưới kết hợp bón phân và xử lý nước, hoặc gửi cho chúng tôi thông tin về diện tích đồng ruộng, nguồn nước và cột áp để nhận đề xuất cụm thiết bị đầu nguồn phù hợp.

Nguồn tham khảo

• FAO: Triển vọng tích cực cho các hệ thống tưới năng lượng mặt trời