CARACTERISTICILE COMPARATIVE ALE POMPELOR SOLARE DE MIC DEBIT

Doctorand. Ismail Abdel Wahhab

Universitatea Tehnică a Moldovei

Cuvinte cheie: pomparea solară, acţionări electrice, energia solară.

1. Introducere

Conform unui studiu efectuat de Banca Mondială

(World Bank Technical Paper Nr. 168), pomparea

solară a apei pentru alimentarea consumatorilor care

nu au acces la reţea este competitivă cu un grup

electrogen (motor cu ardere internă - generator) dacă

cererea nu depăşeşte 800 m4/zi – rezultatul înmulţirii

volumului de apă la înălţimea manometrică totală

(Î.M.T.). De exemplu, volumul pompat de apă este de

40 m3/zi, Î.M.T. – 20 m, sau respectiv 20 m

3/zi,

Î.M.T. – 40 m. Pomparea solară în scopul micii

irigări este competitivă cu grupul electrogen pe un

segment redus – suprafaţa irigată nu va depăşi 0,5-1,5

ha dacă folosim tehnologiile tradiţionale sau 2-3 ha

dacă utilizăm irigarea prin picurare. În acest caz

produsul volum - Î.M.T. nu va depăşi 450 m4/zi.

Debitul maximal al pompelor solare uzuale de obicei

nu depăşeşte 2 m3/h, Î.M.T. maximală – 100 m.

La catedra de electromecanică a UTM a fost

elaborată o pompă solară pe baza cunoscutelor

pompe cu organ de lucru elastic şi acţionare

electromagnetică [1]. În prezenta lucrare se face o

analiză comparativă a caracteristicilor diferitor tipuri

de pompe, accentul punându-se pe o particularitate

comună a acestor pompe – alimentarea de la un

modul fotovoltaic (PV).

2. Clasificarea pompelor solare

Clasificarea prezentată mai jos s-a făcut pe baza

analizei informaţiei lansate de marile companii

producătoare sau distribuitoare de pompe solare:

Grundfos [2] şi Bernt Lorentz KG [3] din Germania,

Dankoff Solar [4], Nothern Arizona Wind and Sun,

Inc. [5], Solar Water Technologies din SUA [6],

Flowman [7] din Olanda.

Din cele trei grupe mari de pompe cunoscute în

prezent (pompe cu mişcare du-te-vino, cu rotor,

dinamice) se folosesc ca pompe solare pompele

volumetrice şi cele centrifugale. Pompele

volumetrice au obţinut o utilizare mai largă deoarece

la debite mici asigură o presiune şi un randament mai

mare. Din acest grup de pompe solare fac parte

pompele elicoidale, cu piston, cu diafragmă

(membrană) şi cu disc elastic. Pompele centrifuge au

acelaşi randament ca şi pompele volumetrice doar

pentru debite mai mari de 3 m3/h.

Pompele solare se deosebesc şi după tipul

acţionării electrice care pune în mişcare organul de

lucru. Pompele volumetrice, în majoritatea cazurilor,

sunt dotate cu motoare de curent continuu cu magneţi

permanenţi (M.C.C.) cu sau fără perii. În ultimul caz

comutaţia se realizează de un dispozitiv electronic

special care ridică substanţial costul (de circa două

ori). Pompele centrifuge sunt acţionate de motoare

asincrone cu rotor în scurtcircuit sau M.C.C. cu

comutaţie electronică. Pompele cu diafragmă sau cu

disc elastic pot fi acţionate de vibratoare

electromagnetice.

3. Acţionările electrice ale pompelor de mic debit

Mai sus s-a menţionat că pompele de mic

debit pot fi acţionate de motoare de curent

continuu (M.C.C) cu magneţi permanenţi cu sau

fără perii, motoare asincrone cu rotor în scurt

circuit monofazate sau trifazate sau vibratoare

electromagnetice. În cazul alimentării acţionării

electrice de la module solare se impun

următoarele cerinţe:

Cuplu de pornire trebuie să fie mare, în special

pentru acţionarea pompelor volumetrice

elicoidale sau cu piston;

Curentul absorbit de la sursă în momentul

pornirii trebuie să fie minimal;

Să nu fie sensibilă la variaţia tensiunii de

alimentare;

Randament mare la puteri nominale mici;

Cost mic, cheltuieli reduse în exploatare.

Este evident, că nici o acţionare electrică din cele

menţionate, nu satisface integral aceste cerinţe, deci

se parcurge la un compromis. Având la dispoziţie

puteri mici instalate ale modulelor PV, în primul

plan se evidenţiază randamentul motorului şi curentul

de pornire. În tabelul 1 sunt prezentate randamentele

a câtorva tipuri de motoare, inclusiv vibratoare

electromagnetice, folosite pentru acţionarea pompelor

de mic debit.

Pentru puteri egale sau mai mici de 370 W

motoarele de curent continuu au un randament mai

mare decât motoarele asincrone. Vibratoarele

electromagnetice ale pompelor solare au un

randament mai mare decât a motoarelor asincrone şi

sunt la acelaşi nivel cu motoarele de c.c. de aceiaşi

putere nominală.

Curentul la pornirea directă de la reţea a unui

motor asincron cu o putere de 0,37 kW este de 3,5 –

4,5 ori mai mare decât curentul nominal. În cazul

alimentării de la un modul PV pornirea directă se

realizează de la un convertor de frecvenţă nereglabilă

conectat între modulul PV şi motor. Este evident că

în acest caz curentul de pornire al motorului nu va

depăşi curentul de scurtcircuit al modulului PV, iar

tensiunea pe înfăşurarea statorului nu va depăşi câţiva

volţi. Cuplul motorului asincron fiind proporţional cu

pătratul tensiunii scade semnificativ şi pornirea nu va

avea loc. Pentru a soluţiona această problemă

convertorul de frecvenţă se proiectează reglabil, pe

perioada de pornire tensiunea şi frecvenţa se modifică

menţinându-se raportul U/f = const, iar curentul de

pornire are valori de (1,8 –2,0)In. Cu scopul obţinerii

unei porniri sigure în sistemele uzuale se folosesc

condensatoare de pornire conectate la intrarea

convertorului de frecvenţă. Autorii studiului [10]

menţionează că capacitatea acestui condensator

trebuie să fie de câteva mii de microfarade ceia ce

conduce la majorarea costului, masei şi

dimensiunilor convertorului.

Pornirea directă a motoarelor de curent continuu

cu magneţi permanenţi de la un modul PV este cu

mult mai facilă decât a motoarelor asincrone. Se

explică în felul următor. Cuplul MCC este

proporţional cu produsul fluxului de excitaţie la

curentul indusului. La pornire curentul indusului este

aproximativ egal cu curentul de scurtcircuit al

modulului PV, iar fluxul de excitaţie poate fi

considerat egal cu cel nominal (dacă neglijăm reacţia

indusului). Deci, motorul va dezvolta un cuplu nu

mai mic decât cel nominal, chiar dacă tensiunea pe

indus a scăzut de câteva ori.

Cele expuse mai sus au fost verificate prin

încercări efectuate în laboratorul “Surse regenerabile

de energie” a UTM la care a participat şi autorul

prezentei lucrări. S-a încercat pornirea directă a unui

MCC cu excitaţie de la magneţi permanenţi cu

puterea nominală de 120 W, tensiunea 48 V, curentul

3,0 A şi a unui motor asincron monofazat cu puterea

nominală de 100 W de la un modul PV cu puterea de

150 Wc. În cazul motorului asincron s-a folosit un

convertor de frecvenţă nereglabilă.

Rezultatele încercărilor:

1. MCC cu magneţi permanenţi

1.1. Durata de pornire directă în gol - 0,28 s;

1.2. Durata de pornire directă sub sarcină - 0,40 s.

Ca sarcină s-a folosit un generator de c.c.

conectat pe o rezistenţă;

1.3. Valoarea maximală a curentului de pornire în

ambele cazuri - 2,7 A;

1.4. Tensiunea minimală pe indus pe perioada de

pornire – 7,0 V.

2. Motor asincron:

2.1. Valoarea maximală a curentului - 2,3 A;

2.2. Tensiunea minimală pe indus – 12,0 V.

2.3. Din cauza micşorării cuplului de zeci de ori în

raport cu cel nominal (cuplul motorului asincron

este direct proporţional cu pătratul tensiunii de

alimentare), pornirea directă nu are loc.

Pornirea directă a acţionării electromagnetice sau

altfel spus, a vibratorului electromagnetic este cu

mult mai uşoară decât a motorului asincron. Curentul

la pornire este doar de 1,25 – 1,35 ori mai mare decât

curentul nominal [11], ca urmare căderea de tensiune

a modulului PV va fi cu mult mai mică. Al doilea

factor carte facilitează pornirea directă constă în

autoexcitarea vibraţiilor mecanice sub acţiunea

impulsului iniţial al forţei electromagnetice. În

primul moment de pornire, sub acţiunea forţei

electromagnetice (poate fi şi mai mică decât cea

nominală), armătura mobilă se mişcă în direcţia

micşorării întrefierului, ceia ce provoacă creşterea

forţei electromagnetice care este invers proporţională

cu lungimea întrefierului. Creşterea forţei provoacă

micşorarea de mai departe a întrefierului şi astfel

amplitudinea oscilaţiilor creşte [11].

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.5 1 1.5 2

Debit, m^3/h

I.M

.T.,

m

Centrifuga multietajata: SP1A, Grundfos, Germania

Cu diafragma: SWT 150, Solar WaterTechnologies,

SUA Cu organ de lucru elastic: Gheizer - Helios

Cu organ de lucru elastic: Maletko - Solar

Fig 2. Caracteristicile H-Q a diferitor

pompe solare

Încercările repetate au demonstrat că durata

pornirii directe a acţionărilor electromagne-tice cu

puterea nominală de 50 – 100 W de la un modul cu

puterea 150 Wc este de 0,15 – 0,25 s.

4. Caracteristicile diferitor pompe solare

În continuare vom compara caracteristicile

pompelor cu organ de lucru elastic cu pompa cu

diafragmă şi pompa centrifugă. Se compară două

tipuri de pompă cu organ de lucru elastic: “Gheizer -

Helios” Qn = 0,43 m3/h, Hn = 20 m; “Maketko-

Solar”, Qn = 0,43 m3/h, Hn = 40 m cu două pompe

solare: o pompă centrifugă multietajată SP1A

Grundfos, Germania, Qn = 1,0 m3/h, Hn = 36 m şi cu

o pompă cu diafragmă SWT 150, Solar Water

Technologies, SUA, Qn = 0,33 m3/h, Hn = 43 m.

În figura 2 sunt prezentate caracteristicile H – Q,

în figura 3 – randament –debitul Q şi în figura 4 –

puterea la intrare – debitul Q.

Analiza acestor caracteristici ne permite să facem

următoarele concluzii:

Caracteristicile H – Q ale pompelor volumetrice

cu organ de lucru elastic sunt liniare şi ocupă o

poziţie intermediară în comparaţie cu pompele solare

cu diafragmă şi centrifugale. Altfel spus, cele mai

sensibile la variaţia radiaţiei solare sunt pompele

centrifuge, urmează pompele solare cu organ de lucru

elastic şi mai puţin sensibile sunt pompele cu

diafragmă. Cu cât sensibilitatea la radiaţia solară este

mai mică cu atât pompa va funcţiona într-o mai mare

gamă de variaţie a radiaţiei solare;

Randamentul pompelor volumetrice cu organ de

lucru elastic este mai mare decât a pompelor

centrifuge şi puţin mai mic decât a pompelor cu

diafragmă. În zona Î.M.T. mari în care Q scade,

randamentul pompelor volumetrice cu organ de lucru

elastic continuă să crească sau scade nesemnificativ

ceia ce este benefic în cazul alimentării de la module

PV. În acelaşi timp, randamentul pompei cu

diafragmă şi a pompei centrifuge scade considerabil,

respectiv de 1,5 şi 1,7 ori;

Puterea la intrare, atât a pompelor volumetrice cu

organ de lucru elastic cât şi a pompei centrifuge,

creşte practic liniar în funcţie de debitul Q. Puterea

pompelor cu diafragmă scade brusc cu creşterea

debitului. Se explică prin scăderea bruscă a Î.M.T.

(vezi figura 2) şi deci a produsului QH care este

proporţional cu puterea la intrare.

5. Bibliografie

1. Ismail Abdel Wahhab. Pompe solare cu acţionare

electromagnetică. Meridian ingineresc, nr.2,

2001, pp. 66-69.

2. Grundfos Submersible Pumps SPA, SP. Catalog.

3. www.lorentz.de.

4. www.dankoffsolar.com

5. www.windsun.com

6. www.solarwater.com

7. www.flowman.nl

8. I.Sobor, N. Cobîleaţchii. L’Action

electromagnetique des pompes submersives.

BIP din Iaşi. Tomul XLI (XLV), Fasc.5.,

1995, - pp.177 – 182.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.5 1 1.5 2

Debit, m^3/h

Ran

dam

entu

l, %

Centrufuga multietajata: SP1A, Grundfos,

GermaniaCu diafragma: SWT150, Solar Water Technologies,

SUACu organ de lucru elastic: Ghezer- Helios, Moldova

Cu organ d lucru elastic: Maletko-Solar, Moldova

Fig 3. Caracteristicile randament – Q ale

diferitor pompe solare

0

50

100

150

200

250

300

0 0.5 1 1.5 2Debit, m^3/h

Pu

tere

a, W

Centrifuga multietajata:SP1A, Grundfos, Germania

Cu diafragma: SWT150, SolarWater Technologies, SUA

Cu organ de lucru elastic: Gheizer-Helios, Moldova

Cu organ de lucru elastic: Maletko-Solar, Moldova

Fig 4. Caracteristicile puterea la

intrare – Q ale diferitor pompe solare

Tabelul 1. Randamentul în regim nominal a diferitor tipuri de motoare pentru acţionarea pompelor de mic

debit

Tip motor Firma, ţara Puterea nom., W Randament, %

Asincron, 3 - fazat, MS 402 Grundfos, Germania 370 64

MCC fără perii, Etadrive Berent Lorentz

Germania 250 88

MCC cu perii SunRise SUA 150 75

MCC cu perii Solar Water Technologies 100 66

Vibrator electromagnetic Gheizer-Helios, UTM 50 67

Vibrator electromagnetic Maletko-Solar. UTM 100 72

Pompe solare

Volumetrice Centrifugale

Elicoidale

(Cu melc) Cu piston Cu membranã Cu disc elastic

M.C.C. cu perii M.C.C fãrã perii

(cu comutatie electronicã)

Vibrator

electromagnetic

Motor asincron

Fig 1. Clasificarea pompelor solare de mic debit după principiul de funcţionare şi tipul acţionării electrice