Čerpání vody pomocí solárního čerpadla

Čerpání vody pomocí solárního čerpadla

Čerpání vody pomocí solárního čerpadla
Solární čerpadla umožňují čerpání vody v oblastech, kde není možné připojení k elektrické
rozvodné síti. Jsou rovněž alternativou k využívání benzínových čerpadel, kterým mohou
konkurovat svou bezúdržbovostí, tichým chodem, delší životností a díky využívání
obnovitelné energie také šetrností k životnímu prostředí.
Soustava solárního čerpadla
Základními prvky soustavy jsou sací koš, sací potrubí, čerpalo s regulátorem a
fotovoltaickými panely, výtlačné potrubí a horní zásobníková nádrž. (Obrázek 1.)
Sací koš a jeho umístění
Vhodný výběr a umístění sacího koše je nejdůležitějším předpokladem dlouhé životnosti
čerpadla. Sací koš může být umístěn v akumulačním prostoru malé vodní nádrže, v korytě
potoka či řeky nebo ve studni. Jeho umístění je dobré zvolit několik decimetrů nade dnem. Při
čerpání vody z potoků a řek tím zamezíme přisávání písku, který se často pohybuje při dně a
ve spodní části průtočného profilu (zejména při zvýšeném průtoku má voda vyšší unášecí sílu
a písek se dostává i do vyšších vrstev). Při čerpání z přehrad a studní se umístěním několika
decimetrů nade dnem zamezí přisávání a víření sedimentů usazovaných při dně. Pokud je
voda výrazně mechanicky znečištěna nebo má potok velký spád a tím velkou unášecí sílu, je
vhodné vykopat v okolí koryta jímku, která bude s vodotečí vodivě spojena mechanickým
filtrem. Tento filtr může být tvořen například sendvičem z hrubých kamenů se štěrkovým a
pískovým jádrem. Sací koš dodávaný k čerpadlu může být rovněž doplněn druhým filtrem
zajišťujícím hrubší předčištění. Takto se dá použít například proděravěný kanistr apod.
Zamezí se tím například přisátí listu na relativně malou plochu původního sacího koše.
Efektivní může být také způsob předčištění pomocí molitanového pytle umístěného kolem
zmiňovaného kanistru. Je ovšem potřeba, aby filtry nekladly sání čerpadla velký odpor.
Solární čerpadlo, regulátor a fotovoltaické panely (FV panely)
Elektrická energie pro čerpadlo je získávána z FV panelů tvořených soustavami solárních
článků. Jejich zjednodušený princip spočívá v tom, že dopadající fotony „vyrážejí“ elektrony
přes polovodičovou membránu a ty se na své původní místo mohou vrátit jedině
prostřednictvím sběrných vodičů. Vzniklý proud elektronů je hledaným elektrickým proudem.
Solární články bývají sestaveny do serioparalelních soustav s výsledným pracovním napětím
nejčasněji 12, 24 nebo 48 V DC. Panely se umisťují nejčastěji na pevný podstavec s orientací
k jihu (na jižní polokouli k severu). Jejich sklon od vodorovné roviny se volí stejně jako
zeměpisná šířka dané oblasti.
Termojaderné fůze na slunci vyzařují energii do prostoru, její část dopadá na horní vrstvu
atmosféry (přibližně 1370 W/m2). Průchodem atmosférou dochází díky difuzi, pohlcování a
odrazům ke ztrátám na tomto energetickém toku. Čím blíže k rovníku a čím výše je slunce
nad hlavou v průběhu dne, tím kratší dráhu atmosférou záření prochází a tím více energie
panely vyrábějí. Energie dopadající na zemský povrch má hodnotu přibližně 1 000 W/m2.
V současnosti umí monokrystalické nebo polykrystalické panely tento energetický potenciál
využít přibližně z 15%, polymorfní panely asi z 5%. Napětí indukované z panelů bez zatížení
může být vyšší než uváděná hodnota 12, 24 nebo 48 V DC a přímé zapojení k čerpadlu by
mohlo způsobit jeho spálení. Proto je mezi FV panely a čerpadlo přidán regulátor, který by
měl mít následující funkce:
Soustava solárního čerpadla
1
Ing. Václav Klapetek
1) stabilizuje napětí z FV panelů do rozmezí přijatelného pro čerpadlo;
2) umožní připojení například plovákových spínačů hlídajících pokles hladiny u sacího
koše a zaplnění horní zásobníkové nádrže (díky velkým ztrátám proudu na dlouhém
vedení přitom není možné plováky rozpojovat celý proud z FV panelů);
3) umožní zapnutí čerpadla pouze v případech, kdy panely indukují dost energie na to,
aby čerpadlo vyčerpalo vodu do horního tanku. V opačném případě bude čerpadlo
zapnuto krátce po východu slunce, ale přitom nebude schopné vytlačit vodu do horní
nádrže a zbytečně se bude opotřebovávat a zahřívat;
4) umožní odstavení čerpadla z provozu.
Stejnosměrné solární čerpadlo může být buď klasické, nebo ponorné. Pořizovací cena
čerpadla s regulátorem bývá velmi vysoká a jejich obstarání nesnadné. Na trhu jsou dostupná
čerpadla pro zahradní jezírka nebo automobily, které ale mívají následující nedostatky –
čerpadlo nemůže fungovat déle než X minut, má malou výtlačnou výšku nebo nedostatečný
průtok. Přesto se dá i na českém trhu sehnat dobře fungující sestava za přijatelnou cenu. Další
možností je volba klasického čerpadla 220V AC s předřazeným měničem z 12/24V DC na
220V AC. Měniče však často nejsou určeny pro venkovní prostředí a další problém bývá u
některých čerpadel typu Mališ, kde je uváděn příkon cca. 200W, ale ve skutečnosti je potřeba
tvrdého zdroje ze sítě, který dodá tzv. jalový proud okolo 1 000W.
Mezi základní charakteristiky čerpadla patří:
1) sací výška – udávající maximální výškový rozdíl mezi hladinou vody a umístěním
čerpadla;
2) výtlačná výška – udávající jak vysoko je čerpadlo schopno vodu vytlačit;
3) průtokové množství – udávající kolik je čerpadlo schopno dodávat vody za časovou
jednotku (podle „charakteristických křivek“);
4) rozsah provozních teplot, délka čerpacích cyklů a intervaly přerušení.
Průtokové množství je na výtlačné výšce nepřímo-úměrně závislé. Hodnota průtoku pro
konkrétní čerpanou výšku se dá nejlépe odečíst z charakteristických křivek uvedených
v manuálu čerpadla. Čerpadlo může být také vybaveno tepelnou pojistkou, která zabrání jeho
poškození v důsledku přehřátí.
Obrázek 1 - Soustava solárního čerpadla
Soustava solárního čerpadla
2
Ing. Václav Klapetek
Uvedená soustava čerpá vodu pokaždé, kdy je dostatečná intenzita slunečního záření, dostatek
vody ve spodním zásobníku a nedostatek vody v horní nádrži. Energie vyrobená ve FV
panelech je pak okamžitě využita na čerpání vody. V případech, kdy je potřeba čerpat vodu
například i v noci nebo při dlouhém bezslunečném období je možné do soustavy přidat
akumulátor s regulátorem dobíjení, který bude uchovávat vyrobenou energii v době, kdy je
například horní zásobníková nádrž plná. Zapojení čerpadla přes akumulátor má však řadu
nevýhod. Při akumulaci se část energie ztratí, akumulátory mají omezenou životnost, soustavu
prodražují a jsou zdrojem dalších případných poruch. Nutnosti spuštění čerpadla v noci se dá
předejít například instalací horní zásobníkové nádrže o vyšším objemu. Objemem horní
nádrže odpovídající několikadenní spotřebě vody umožní maximální využití vyrobené
energie.
Horní nádrž
Výtlačným potrubím je čerpaná voda dopravována do horní nádrže, přičemž její vtok bývá
zaústěn do vrchní části nádrže. Jako zásobníkové nádrže se dá využít například stará
automobilová cisterna, kopaná jímka utěsněná kaučukovou folií, polo-zapuštěná zděná nádrž
vymazaná cementovým mlékem, nově zakoupená plastová nádrž atd. Jejich volba závisí na
místních požadavcích, finančních a časových možnostech. Maximální množství vody v horní
nádrži je hlídáno pomocí plovákového spínače. Pokud rozepnutí či sepnutí plovákového
spínače při naplnění horní nádrže neodpovídá požadavkům regulátoru, dá se funkce plováku
jednoduše otočit jeho přivázáním k přívodnímu kabelu (Obrázek 2).
Obrázek 2 - Plovákový spínač a možnosti jeho zapojení
Ukázka využití solárního čerpadla v praxi
Na školní farmě zemědělského učiliště v Angole, zbudované v rámci České rozvojové
pomoci, bylo solární čerpadlo použito pro čerpání vody do zásobníku farmového vodovodu a
jako záloha trkače pro kapkovou závlahu. Sací koš, chráněný před hrubými nečistotami
děrovaným kanistrem, byl umístěn v akumulačním prostoru vybudované malé vodní nádrže.
V těsné blízkosti vodní plochy se nachází konstrukce FV panelů, která je zároveň využita jako
stříška pro regulátor SHURFLO 902-200 typ LCB G-75 a čerpadlo SHURFLO 2088-313-145
(Obrázek 3), (200W, max. výtlačná výška 45m, průtok při 20 výškových metrech 10,2 l/min).
Soustava solárního čerpadla
3
Ing. Václav Klapetek
Obrázek 3 - Použitý regulátor a čerpadlo
FV panely jsou tvořeny sestavou čtyřech 12 V panelů (3x 54W a 1x 87W), které jsou
paralelně spojeny a svedeny do regulátoru napětí LCB-G75. Do regulátoru je přiveden dále
také plovákový spínač z horní nádrže, soustava sond hlídajících dostatek vody ve spodní
nádrži a vypínač čerpadla. Výškový rozdíl mezi hladinou a čerpadlem je přibližně 1m. Voda
je čerpaná do horní nádrže vzdálené přibližně 90m. Při čerpání musí voda překonat výškový
rozdíl 12,4m. Sací i výtlačné potrubí jsou z tvrdé vodovodní hadice profilu 1“. Horní plastová
nádrž o objemu 5 000 l je touto sestavou naplněna přibližně za 6h nepřetržitého chodu
čerpadla (hodnota je závislá na intenzitě slunečního záření a nezahrnuje čas na odstávku
čerpadla pro chladnutí). Pořizovací cena regulátoru je 9 500,- Kč, čerpadla 7 100,- Kč a
alternativního panelu o výkonu 210W cca. 15 600,- Kč.
Vlastní zkušenosti a doporučení
Plně automatický chod soustavy popsaný v textu výše nebylo možno zrealizovat a to
z následujících důvodů:
1) Regulátor v sobě nemá zabudovanou nastavitelnou hodnotu minimální intenzity
slunečního záření, která je schopna vytlačit vodu do horního tanku. To má za
následek, že se čerpadlo točí při jakékoli sluneční intenzitě, aniž by bylo schopno vodu
skutečně čerpat. To má vlil na životnost čerpadla.
2) Velmi zásadní problém byl v neschopnosti čerpadla rozběhnout se v případně
zaplněného výtlačného potrubí vodou. Zpětná klapka zabudovaná přímo v tělese
čerpadla držela výtlačné potrubí trvale zavodněné. Tlak vody cca. 20m tlačil na
lopatky čerpadla a to se nebylo schopno rozběhnout. Tato vada musela být řešena
namontováním ventilu v těsné blízkosti čerpadla, kterým muselo být výtlačné potrubí
po každém čerpacím cyklu vypuštěno.
3) Čerpadlo je určeno pro trvalý provoz a je opatřeno tepelnou pojistkou proti přetížení.
Po řádově 1h provozu se teplota chladících žeber zvýšila na tolik, že na nich nebylo
možno udržet ruku (ani 1 vteřinu). Rozhodl jsem se proto stanovit pro čerpadlo
pracovní přestávky (hodina chodu a hodina přestávek). Připouštím, že možná
zbytečně, ale nemohl jsem riskovat shoření čerpadla.
Přes uvedené nedostatky se povedlo vybudovat velmi dobře fungující soustavu. V případě,
kdy je potřeba čerpat vodu do vrchní nádrže, sejde obsluha k FV panelům pod nimiž je
umístěn vypouštěcí ventil výtlačného potrubí a toto potrubí vypustí. Následně obsluha
zapne vypínač (čerpadlo začne vrčet) a jde k horní nádrži, aby se podle zvuku dopadající
vody přesvědčil o dostatečné intenzitě slunečního záření. Po hodině provozu se čerpadlo
nechá hodinu vychladnout. Potřeba vody pro farmový vodovod není vysoká a čerpadlo je
zapínáno řádově na jeden cyklus každé dva dny. Horní nádrž tedy tvoří rezervu na 10 dnů
Soustava solárního čerpadla
4
Ing. Václav Klapetek
provozu. Proškolená obsluha si práci se soustavou solárního čerpadla dobře osvojila.
(Připouštím, že uvedené chyby mohly být zapříčiněny mým opomenutím nebo neznalostí,
budu rád za Vaše připomínky na mém kontaktním emailu.)
Solární čerpadlo je velmi vhodným způsobem pro čerpání vody. Vysoké pořizovací
náklady se brzy vrátí beznákladovým provozem a dlouhou životností soustavy.
Fotodokumentace
1
2
3
Soustava solárního čerpadla
5
4
Ing. Václav Klapetek
5
6
Popisky k fotografiím:
1. Sací koš solárního čerpadla chráněný děrovaným plastovým kanistrem
2. Regulátor a čerpadlo
3. Konstrukce FV panelů (prozatím neosazená čerpadlem ani vypouštěcím ventilem)
4. Pokládka výtlačného potrubí
5. Horní nádrž opatřená přepadem pro signalizaci jejího naplnění
6. Jeden z vývodů farmového vodovodu
Soustava solárního čerpadla
6
Ing. Václav Klapetek