SOLAR SULAMA SİSTEMLERİ NASIL ÇALIŞIR ?

GÜNEŞ ENERJİLİ SOLAR SULAMA / POMPA SİSTEMLERİ
Güneş enerjisinin çok pratik ve ekonomik bir şekilde kullanıldığı alanlardan biri de solar sulama –pompa sistemleridir. Solar pompalar ve pompa kontrol cihazlarındaki gelişmeler sayesinde solar su pompalama sistemlerinin tasarımı, kurulumu, işletimi ve bakımı oldukça kolay bir hal almıştır.
Eğer elektrik şebekesine oldukça uzak bir noktada yaşıyorsanız, ücra bir bölgede sulama için ya da içme suyu için pompa çalıştırmanız gerekiyorsa güvenirlik ve sürdürebilirlik açısında üstün niteliklere sahip solar elektrik pompa sistemlerini kullanabilirsiniz.
Solar Pompa Çeşitleri
İki tür güneş-elektrik solar pompa çeşidi vardır; dalgıç ve yüzey pompaları. Bu makalemizde daha çok ev ve sulama ihtiyaçları için kullanılabilecek güneş elektrik pompalarından bahsedeceğiz.
Havuz ya da gölcükler gibi yüzeysel kaynaklardaki suyu transfer eden ve su yüzeyine yerleştirilen yüzey pompalarından farklı olarak suyun içinde çalışan dalgıç pompalar, suyu bir depolama yada basınç tankına yukarı doğru ittirir. Doğru ölçeklendirilmiş dalgıç pompalar suyu 300m civarındaki derinliklerden yeryüzüne çıkartabilirler. Solar pompalar oldukça dayanıklıdır ve yıllarca mil oranı yüksek sularda bile başarıyla hizmet verir.
Dalgıç solar pompalar üç ana kategoriye ayrılırlar; santrifüj, sarmal (helezonik) rotorlu ve diyafram pompalar.
Santrifüjlü pompalarda, yüksek hızlardaki dönerek yüksek oranlarda su akışı sağlayan bir çark bulunur. Fakat bu solar pompaların ürettiği basınç, dolayısıyla pompalama yükseklikleri diğer tip pompalara göre düşüktür. Pompalama yüksekliklerini arttırmak sarmal tipli solar pompalarla mümkün olur. Bir çeşit pozitif yer değiştirmeli pompa olan bu cihaz bir çok evsel kullanım talebini karşılayabilecek akış debisi de sağlar. Bu pompalar suyu yeryüzüne küçük paketler halinde, oldukça hızlı bir şekilde ve sabit debiyle çıkarırlar. Pompanın yapısı, mühürlü bir şaft içinde spiral bir kedi merdivenine benzer şekildedir ve oldukça hızlı şekilde döner. Her bir merdiven basamağı suyu pompanın tepe kısmına çıkarır, buradan yukarı doğru transfer edilen su en son yüzeye ulaşır. Su pompanın içinden geçtiği için santrifüj pompalara göre akış debisi daha düşük olur. Fakat basınç yüksek olduğu için sarmal rotorlu pompalar suyu daha yüksek mesafelere basabilir.
Diğer bir tip pozitif yer değiştirmeli pompa olan dalgıç diyafram solar pompalar modeline göre 30 metreden daha düşük derinlikteki yüzeysel kuyulardan 20 lt/dk, 75–80 metre kuyulardan da daha düşük hacimlerde basabilirler. Genellikle bu pompaların kullanıldığı solar-elektrik sulama sistemlerinde 4inç kalınlığında bir kuyu kaplaması gerekir. Bu solar pompalar diğerlerine göre daha ucuz olsalar da bakımları daha zahmetli ve maliyetlidir.
Farklı dalgıç solar pompa tipleri AC-DC ya da her ikisinde de çalışmak üzere tasarlanmışlardır. Kablolama işlemlerini kolaylaştırmak için, içinde bir inverterin bulunduğu otonom şebeke bağımsız fotovoltaik sistemlerde genelde AC dalgıç pompalar kullanılmaktadır. Fakat unutulmamalıdır ki bir AC pompa da sonuçta fırçasız DC motordan faydalanmaktadır. Bu durumda pompa dahilindeki elektronik teçhizat sayesinde pompa standart bir şebeke ya da inverter tarafından beslenebilir. Bu durumda akü grubunun, inverterin ve şarj kontrol cihazlarının kapasitelerinin hesaplanması sırasında pompa da yük hesabına dahil edilmelidir. AC pompaların birçoğu kalkış anında normal çalışma rejiminden 2 -3 kat daha fazla güç çekerler. Sistem inverterinin kalkıştaki bu ekstra yükü başarıyla karşılaması gerekir. Grundfos pompaları otonom şebeke bağımsız sistemlerde kullanılmaya oldukça elverişlidir. Bu markanın SQ serisi kalkışlarda yüksek güçlere gereksinim duymaz, ayrıca sahada oldukça güvenilir ve dayanıklıdırlar. Fakat DC dalgıç solar pompalar, akü destekli güneş enerjisi sistemlerinde AC solar pompalara göre daha yüksek verimle çalışabilirler. AC pompalama sistemlerinde DC-AC dönüşümden dolayı kayıplar oluşur. Şebeke bağımsız otonom sistemde akülerde depo edilen DC enerji AC solar pompa kullanılmadan önce inverter tarafından DC’den AC’ye evirilmelidir. Bataryaların şarj ve deşarj kayıpları akü bankının yaşına ve durumuna göre %5-%10 arasında verim düşüşlerine yol açabilir. İnverterin de ortalama yaklaşık %85 verimle çalıştığını düşünürsek bir AC pompanın DC direkt pompayla aynı miktarda suyu pompalayabilmesi için %20-%25 daha fazla güneş enerjisine ihtiyaç duyar.



Dalgıç solar pompalar
Lorentz firması 200 volt açık devre gerilimine kadar çalışabilenlerin de bulunduğu bir solar pompa ürün yelpazesine sahiptir. SunPumps firmasının ürettiği santrifüj solar pompalar 245 volt açık devre gerilimlerinde çalışabilmektedir. Firma 200m derinlikten 15lt/dk ya da yüzey kuyulardan 950lt/dk su pompalayabilmektir. SunPumps ve Shurflo evsel, tarımsal ve içme suyu ihtiyaçları için sudaki kil miktarı düşük olmak şartıyla direkt olarak solar PV grubuna bağlanan düşük maliyetli ürün seçenekleri sunmaktadır.
Grundfos hem AC hem de DC ile çalışan ve geçiş yapmak için herhangi bir ekipmana ihtiyaç duymayan santrifüj pompa üretmektedir. DC çalışma rejiminde pompanın kalkması için 30 V DC yeterlidir. Bunun yanı sıra pompanın 300 V açık devre gerilimi kablo kesitlerinden ve maliyetlerden tasarruf edilmesini sağlamaktadır. Bir generatör arabirim kutusu sayesinde güneşsiz zaman aralıklarında da sistemin çalışmaya devam edebilmesi içingeneratör ilavesi yapılabilir.

Solar Sulama Sistemleri
Güneş enerjisi yardımıyla solar sulama yapabilen 3 genel sistem çeşidi vardır. Spesifik bir uygulama için en uygun çözüm; uygulama noktasındaki irtifa değişimleri, sistemde inverterin bulunup bulunmadığı ve suyun yılın hangi mevsiminde, günün hangi saatinde kullanılması gerektiği gibi parametrelere bağlıdır.
Yüksekteki Bir Depoya Sahip Direkt Solar PV Grubuna Bağlı Sistem: Verimi en yüksek güneş – elektrik sulama sistemleri bataryaların kullanılmadığı, solar pompanın bir kontrol cihazı üzerinden direkt olarak PV panel grubuna bağlandığı kısaca PV direkt olarak adlandırılan sistemlerdir. Bu otonom solar sulama sisteminde PV grubuna direkt olarak bir DC dalgıç solar pompa bağlanır. Bir kontrol cihazı yada doğrusal akım yükselteci gibi ilave bir bileşen solar PV grubuyla solar pompa arasına bağlanır ve akım gerilim ilişkisini optimize ederek değişen güneş ışınımı koşullarında pompalanan su miktarını en yüksek düzeye çıkarmaya çalışır. Güneş ışınımından faydalanıyorken pompa suyu kuyudan çıkartarak daha önceden inşa edilmiş ve suyun kullanılacağı noktadan daha yüksekte bulunan bir depoya transfer eder. Deponun kullanım noktasına göre yukarıda olduğu her 70cm için 1 psi değerinde basınç elde edilir. Normal ev aletlerinin çalışma basınçları 4 psi civarındadır, bu yüzden depolama tüketim noktalarından 3 m daha yukarı koyarak yeterli basınç miktarı elde edilebilir. Bu sistemin en büyük avantajı basit olmasıdır. Su tankı bu sistemde akü görevindedir ve pompalanan suyu daha sonra tüketilmek üzere depolar. Deponun tüketim noktalarından daha yüksekte bulunması yeterli basınç miktarını da sağlayacağından için ilave basınçlandırma pompalarına ve basınç tanklarına gereksinim duyulmaz. Evsel kullanımlar için depolama en az 5 günlük ihtiyacı karşılayacak şekilde ölçeklendirilmelidir. Güneşli havalarda solar pompa, depolama tankını yavaş yavaş dolduracaktır. Güneş yokken solar pompa çalışmayacaktır. Bulutlu havalarda havanın bir açıp bir kapanması nedeniyle solar pompanın kısa aralıklarla devreye girip çıkması pompaya zarar vermez.
PV-direkt güneş enerjisi sulama sistemlerinin diğer avantajları akü şarj deşarj ve inverter dönüşüm kayıplarının olmamasından dolayı güneş enerjisinden yüksek verimle faydalanma ve generatör muhtemel çalışma sürelerinin azaltılmasıdır. Şebeke bağımsız otonom PV sistem kullanıcıları eğer sistemde aküleri şarj etmek için bir jeneratör bulunuyorsa yüksek enerji tüketen elektrikli aletlerini güneşin tam tepede olduğu öğlen saatlerinde çalıştırarak jeneratörün daha az devreye girmesini sağlayabilirler. Bu yolla genellikle dizel yakıtla çalışan jeneratörün sebep olduğu yakıt tüketimi, kirlilik ve gürültü azaltılmış olur. Böylece akülerin yüksek oranlarda deşarj olması da önlenerek akü ömürleri uzatılır. Doğru bir şekilde ölçeklendirilmiş PV-direkt depolamalı sistemlerinde tankta birkaç gün yetecek kadar su depolanır. Bulutlu günlerde solar pompa çalışmıyorken bile zaten yeteri kadar kullanım suyunuz vardır ve sistemde akü kullanılmadığı için aküleri şarjda tutacak bir jeneratöre de ihtiyaç yoktur.

PV grubunun diret olarak solar pompaya bağlandığı uygulama 
Yükseltilmiş depolama tanklarına sahip PV-direkt sistemler uzun dönemlerde size tasarruf sağlar ve otonom yaşama şeklinize esneklik kazandırır. Fakat depolama tankının ilave maliyeti ve tanka giden boru hattının soğuk iklimlerde buzlanmalardan etkilenmemesi için toprak altına döşenme zorunluluğu sistemi diğer alternatiflere göre daha pahalı hale getirebilir.
Basınç pompalı depolama tankının kullanıldığı PV-direkt sistemler: DC solar pompalamanın yüksek veriminden faydalanmak istiyorsanız fakat depolama tankını gerekli basıncı sağlayacak yüksekliğe çıkarma imkanınız yoksa size yardımcı olabilecek seçenekler hala mevcuttur.
Bir PV-direkt pompa ve kontrol ünitesi sayesinde kullanım bir DC ya da AC basınç yükselteci pompa yardımıyla depolanan suyun basıncı arttırılabilir. Bu çözümde suyun kuyudan depolama tankına kadar tahliyesi solar pompa sayesinde güneş ışınımından faydalanıyorken gerçekleştirilir bulutlu ya da kapalı havalarda su kullanılacağı zaman basınç anahtarı sayesinde devreye giren küçük bir basınç pompasının sayesinde su tüketim noktasına tahliye edilebilir.

Bu konfigürasyon suyun kullanılacağı zaman pompalanması seçeneğini sunarken depolama tankı ve ilave basınç pompası maliyetleri toplam sistem maliyetini ve karmaşıklığı arttıran etkenlerdir.
Solar Pompadan Basınç Tankına: Bu üç sistem içinde en konvansiyoneli suyu direkt olarak basınç tankına tahliye etmek için bir AC dalgıç pompa kullanıldığı mekanizmadır. İstenilen akış debisini karşılayabilecek bir DC pompa da doğrudan akü grubundan beslenebilir. Böylece inverter kayıplarının da önüne geçilmiş olur. Standart bir basınç anahtarı, tankın basıncı önceden belirlenmiş bir seviyenin altına düşünce solar pompayı aktif hale getirir. Bu 30psi gibi bir basınç değerine olabilir. 50psi ya da daha yukarı bir basınç değerinde basınç anahtarının üst sınırı solar pompayı kapatır. Bu güneş pompa sisteminde 5000 lt bir su depolama tankı yerine 150–200 lt basınç tankı yeterli olur.
Daha önceden anlatılan iki sisteme göre solar pompa basınç tankı sisteminin bileşen maliyetleri daha düşüktür ve dünyanın her bir yerindeki pompa tesisatçıları bu sisteme aşınadır. Fakat akü destekli solar güç sistemlerinin pompa demeraj akımları ve inverter kapasitesi gibi kısıtlayıcı özellikler çok fazla bilinmez. Bu yüzden solar pompa uygulamalarında solar pompanın çalışma karakteristiklerine dikkat edilmesi gerekir ve mümkünse otonom solar sistemler üzerine tecrübe sahibi kurulum ekipleriyle çalışmalıdır.
Şebeke bağımsız otonom sistemlerde solar pompa basınç tankı sistemlerinin dezavantajları, suyun tüketildiği zaman aralıklarının büyük bir çoğunlunda solar pompanın devreye girmesidir. Bulutlu havalarda ve geceleri tankı basınçlandırmak için gerekli enerji akü grubundan elde edilir. Akülerin her seferinde tam olarak şarj olması gerekir ve ne kadar derin deşarj olurlarsa ve ne kadar uzun süre bu halde kalırlarsa servis ömürleri de o kadar kısa olur. Diğer bir dezavantaj da büyük hacimli su tanklarının bulunduğu PV direkt sistemlerine göre bulutlu havalardaki jeneratör çalışma sürelerinin uzun olmasıdır.




Pompa-basınç tankı uyulaması
Sistem Bileşen Faktörleri
Enerjisini direkt olarak PV grubundan olan ya da akü destekli sistemler için aşağıdaki tasarım parametreleri yatırımınızın karşılığını tam olarak veren üstün kaliteli bir sistemin tasarlanabilmesi için dikkate alınmalıdır.
Kurulum Noktası: En uygun performans sağlanabilmesi için solar PV grubunun gölgelenmeyen bir yerde kurulması ve mutlak suretle güneye yönlendirilmesi gerekir. Yaz aylarında yüksek miktarda suyun pompalanması gereken uygulamalarda (sulama gibi) güneşi izleyen PV modül ayakları daha yüksek güç üretimi için kullanılabilir
Güneş takip ekipmanlarının kullanıldığı sistemlerde güneş ışınları sürekli olarak panellere dik açıyla ulaşır. Böylece günün büyük kısmında solar pompa tam güçle çalışabilir. Yaz aylarında güneşi takip eden bir sistem sabit solar sistemlere göre %20 - %40 daha fazla su pompalayabilir.
Gerilim Düşümlerinin Azaltılması: Kablolardaki gerilim düşümünün azaltılması, kullanılan kabloların uzunluklarının ve kesitlerinin düşürülmesi için solar PV grubunun mümkün olduğunca solar pompaya ve akülere yakın olması gerekir. Gerilim düşümü ne kadar fazla olursa solar pompalama sisteminin basacağı su miktarı da o kadar az olur.
Birçok ülkedeki uygulama standartlarına göre toplam gerilim düşümü %2 geçemez. Mesafeler uzunsa kablo kesitleri maliyet artışı pahasına arttırılmalıdır. Bakır fiyatlarının her zaman için yüksek olduğu düşünülürse solar modül grubunun mümkün olduğunca solar pompaya yakın olması gerekir.
Serbest Akış: Solar pompa uygulama optimizasyonunda diğer bir önemli faktör de boru sürtünmeleridir. Pompanın çıkışıyla dağıtım noktası arasındaki mesafe ne kadar fazlaysa boru sürtünmesinden kaynaklanan akış sınırlaması, boru çapının arttırılmasıyla ya da borunun uzunluğunun azaltılmasıyla düşürülebilir. Evsel kullanımlar için 1,25 – 1,5 inçlik borular sık kullanılır. Fakat mesafe 150m’yi geçerse ya da debi oranının yüksek olması gerekirse sürtünme kayıplarının azaltılması için boru çapının 2inç olması gerekir.
Pompa Koruması: Debiyi kontrol edebilmek için basınçlandırılmış sistemler bir basınç anahtarı kullanır. Eğer bir depolama tankı sistem dahilindeyse kullanılacak bir şamandıra tank içindeki su belli bir seviyeye geldiğinde solar pompayı durdurur. Basınç anahtarlarının birçoğu basıncın belli bir seviyeye yükselmesiyle kontaklarını kapatırlar. Ters yönlü anahtarlar ise basınç belli bir seviyeye düştüğünde kontakları açarlar.
Pompada bir kapatma mekanizmasının bulunması çok önemlidir. Şamandıra gibi bir kontrol mekanizmasının olmadığı durumlarda tank dolu konuma gelirse ve pompa da "kapatma yüksekliğine” karşı pompalamaya çalışırsa zarar görebilir. Bunun yanı sıra su kaynağının kuruması durumunda pompanın çalışıp zarar görmesini önlemek için kuru çalışma korumasının da bulunması gerekir (su seviyesi sensörü). Bu özellik bazı pompalarla beraber gelir. O yüzden pompa kataloglarının bu özellik için dikkatlice incelenmesi gerekir.
Kontrol Cihazı: Bütün güneş enerjili sulama sistemlerinde güç kaynağı durumdaki fotovoltaik panel grubuyla solar pompa arasında bir kontrol ünitesi bulunur. PV-direkt sistemlerinde kontrol ekipmanı basit bir doğrusal akım güçlendirici (Linear Currnet Boster-LCB )olabilir. LCB, solar PV panel grubunun akım gerilimini optimize eder. Böylece pompalan su miktarı en yüksek seviyesine yükseltilebilir ve güneş ışınımının düşük olduğu koşullarda solar pompanın çalışması sağlanabilir. Geliş kontrol cihazlarında solar pompa motor hız kontrolü ve su seviyesi düşük olduğu durumlarda kapatma özelliği de bulunur. Hatta bazı modellerde güneş enerjisi panellerinde üretilen güç miktarı gibi sistem bilgileri de görüntülenebilir. Bu bilgiler solar sulama sistem arızalarının ortaya çıkarılması için faydalı olabilir.
Yıldırımdan Koruma: Uygun bir sistem topraklanması pompanın ve kontrol ekipmanın koruması için gereklidir. Fakat bazı solar pompa üreticileri sistemde bir yıldırım koruma anahtarının bulunmasını garanti şartı olarak isterler. Solar sulama sistemlerinde de diğer güneş elektrik sistemlerinde olduğu gibi panel çerçevelerinin ve ayaklarının doğru şekilde topraklanması gerekir.
http://www.solarfirsat.com/ac-solar-pompa-inverteri-pmk17

16.08.2015