Солнце и накопитель для орошения в фермерском хозяйстве: насосы полива, сезонная нагрузка и честный расчёт
Полив совпадает с солнцем и по сезону, и часто по времени суток, поэтому для насосов орошения в первую очередь окупается СЭС без батареи или с небольшой батареей. Накопитель нужен там, где полив идёт ночью, где сеть на поле слабая либо её нет вовсе. Накопитель «на всякий случай» для полива почти никогда не окупается, и ниже это видно на расчёте.
Почему полив и солнце хорошо сходятся
Нагрузка орошения сезонная: май — август, поливной день. Солнечная станция в эти месяцы даёт больше всего. По расчёту PVGIS для Минска (оптимальный угол 39°, потери 14 %) с 1 кВт панелей получается: май 129,5, июнь 134,3, июль 131,1, август 125,2 кВт·ч. Эти четыре месяца дают чуть более половины годовой выработки (около 520 кВт·ч из 1 012 кВт·ч с 1 кВт). Днём насос работает, станция выдаёт максимум, энергия расходуется сразу, и батарея в этой цепочке не нужна: она бы только брала на себя потери КПД цикла.
Если же станция уже стоит у хозяйства (см. разбор автономной СЭС для фермы), полив становится удобной «сезонной» нагрузкой для неё. Но зимой та же станция почти не нужна для насосов, и об этом честно сказано ниже.
Схемы питания насосов полива
| Схема | Когда подходит | Роль батареи |
|---|---|---|
| Насос от сети плюс сетевая СЭС | Сеть на поле есть и достаточной мощности, полив днём | Нет. Недостающее берётся из сети, излишки в Беларуси не продаются, поэтому мощность СЭС подбирают под собственное потребление |
| Насосный инвертор (солнечный преобразователь частоты) без батареи | Сети нет или она далеко, полив днём, расход насоса можно подстроить под солнце | Нет. Насос работает, пока светит солнце, и замедляется в облачность |
| Гибридный инвертор с батареей | Полив ночью или вечером, слабая сеть, нужен стабильный расход в любую погоду | Переносит часть полива на вечер и сглаживает облачность; ёмкость считают по часам переноса |
| Дизель-генератор | Сеть отсутствует, нагрузка редкая и тяжёлая, мощный пуск | Не нужна. Схема дешёвая по закупке и дорогая по топливу и обслуживанию |
Выбор определяют три вещи: есть ли сеть на поле, в какое время суток нужен полив и насколько допустимо, что в облачный день расход упадёт. Чем меньше из этого списка требует батарею, тем лучше для бюджета.
Расчёт: насос 11 кВт, 6 часов в сутки
Условное хозяйство: один насос 11 кВт, работает 6 часов в сутки каждый день с мая по август (123 дня). Потребление за сутки: 11 × 6 = 66 кВт·ч. Теперь сколько панелей нужно, чтобы покрыть это от солнца в каждом месяце. Для этого делим месячную выработку с 1 кВт на число дней и находим суточную выработку на 1 кВт, затем делим 66 кВт·ч на неё.
| Месяц | Выработка с 1 кВт, кВт·ч в месяц | В сутки на 1 кВт, кВт·ч | Нужно панелей для 66 кВт·ч в сутки, кВт |
|---|---|---|---|
| Май | 129,5 | 4,18 | около 15,8 |
| Июнь | 134,3 | 4,48 | около 14,7 |
| Июль | 131,1 | 4,23 | около 15,6 |
| Август | 125,2 | 4,04 | около 16,3 |
Для покрытия потребности «в среднем за сутки» в самый слабый из четырёх месяцев нужно около 16 кВт панелей. Это среднее: ясные дни дадут больше, дождливые меньше, а PVGIS считает типичный год и не обещает конкретную погоду. К тому же в полдень 16 кВт панелей дают заметно больше 11 кВт насоса, а утром и вечером меньше, поэтому без батареи в облачные часы насос будет дополнительно брать мощность из сети (если она есть) или снижать обороты на солнечном ПЧ. Выбор между этими вариантами — вопрос схемы и допустимой задержки полива.
Годовая картина: 16 кВт панелей дают за год порядка 16 × 1 012 ≈ 16 200 кВт·ч, из них с мая по август около 8 300 кВт·ч. Полив использует 66 × 123 ≈ 8 100 кВт·ч. Остальные примерно 7 900 кВт·ч приходятся на месяцы, когда насос стоит. Это главная проблема экономики орошения, и она разобрана в разделе про зиму.
Сколько батареи, если перенести два часа полива на вечер
Допустим, часть полива хозяйству удобно проводить вечером, когда жарко меньше и меньше испарение. Два часа работы насоса на 11 кВт — это 22 кВт·ч. Чтобы отдать их из батареи, учитываем рабочую глубину разряда около 90 % и КПД цикла около 93 % (типичные величины для LFP, точные — в паспорте): 22 / (0,9 × 0,93) ≈ 26,3 кВт·ч. Нужна батарея порядка 26–27 кВт·ч номинальной ёмкости, то есть около пяти модулей по 5,12 кВт·ч. Мощность отдачи при этом 11 кВт на 26 кВт·ч — это около 0,4C, режим для LFP умеренный.
Теперь соотнесите это с пользой. Батарея на 26 кВт·ч переносит 22 кВт·ч в сутки на 123 дня, то есть около 2 700 кВт·ч в год. Это экономия покупки такой же энергии из сети вечером, а не вся энергия полива. Для сравнения, без батареи эти же два часа насос работает днём прямо от панелей и никаких потерь цикла нет. Стоит ли ради такого переноса покупать батарею, решает цена батареи на 26 кВт·ч против цены сетевой энергии за 2 700 кВт·ч в год, и при ёмкости, которая работает четыре месяца из двенадцати, ответ часто отрицательный. Проверьте на своих ценах; цифры оборудования здесь намеренно не названы.
Когда батарея оправдана
Если полив по технологии нельзя вести днём (ночной режим для экономии воды, ограничения по мощности сети днём) либо сети на поле нет, батарея решает задачу, а не улучшает экономику. Если же полив можно двигать на дневные часы, правильнее добавить панелей, а не ёмкости.
Пусковой ток и преобразователь частоты
Насос 11 кВт — двигатель с пусковым током, в несколько раз выше рабочего. Прямой пуск на гибридном инверторе потребует большого запаса по мощности, поэтому для насосов такого класса ставят плавный пуск или частотный преобразователь; ПЧ ещё и позволяет подстроить обороты под доступную мощность. Как считать пуск и почему инвертор «сдаётся» на старте, разобрано в материале про пиковую мощность гибридного инвертора и пуск двигателя, а особенности скважинных насосов — в материале про накопитель и скважинный насос. Дождевальные машины имеют несколько двигателей разного назначения (насос подачи, привод тележки), поэтому полный перечень нагрузок с паспортными мощностями нужно собрать до расчёта.
Зима: чем загрузить станцию вне сезона
Станция, рассчитанная под полив, зимой простаивает по нагрузке, а в декабре с 1 кВт получается всего 19,1 кВт·ч и в ноябре 25,2 кВт·ч. Чтобы панели окупались круглый год, им нужны потребители вне сезона. Реалистичные варианты:
- Отопление и освещение производственных построек, мастерской, склада.
- Сушка зерна и кормов, где она электрическая (по сезону жатвы и заготовки).
- Холодильное хранение овощей и молока.
- Теплица с досветкой и климатом (см. разбор накопителя для теплицы).
- Мастерские, жилой дом и офис хозяйства на общей площадке.
Если в хозяйстве нет круглогодичной нагрузки, мощность станции стоит ограничить размером этой нагрузки, а орошение дополнять сетью. Разместить 16 кВт панелей ради четырёх месяцев при отсутствии отдачи в сеть значит держать половину годовой выработки без применения. Ориентировочную выработку для вашей площадки можно получить в калькуляторе выработки.
Поле без сети
Отдалённый участок, где сети нет, решается по-другому: автономная схема с панелями, при необходимости батареей и насосом, рассчитанным на работу с солнца. Принципы проектирования автономных объектов изложены в материале об автономных системах электроснабжения. Для такого поля дизель-генератор часто проще, если полив редкий и мощный, а солнечный насос с ПЧ выигрывает, если полив регулярный и нагрузка умеренная. Станция в поле нуждается в охране: панели и кабель привлекают воров, поэтому защита от краж и вандализма (ограждение, сигнализация, крепёж с ограничением съёма) входит в бюджет, а не в «потом».
Частые вопросы
Нужна ли батарея, если поливаем только днём?
Как правило, нет. Днём панели питают насос напрямую, а батарея только добавит потери цикла и стоимость. Облачность закрывается сетью, уменьшением расхода насоса или переносом полива на другой час.
Можно ли продавать излишки СЭС зимой, когда полива нет?
Нет, частное лицо в Беларуси излишки в сеть не продаёт. Поэтому мощность станции подбирают под собственное потребление хозяйства в течение года, а не только под летний полив.
Сколько панелей нужно на один насос 11 кВт?
Для 6 часов работы в сутки с мая по август в нашем расчёте получилось около 16 кВт панелей. Для вашего участка число изменится вместе с продолжительностью полива, углом панелей и затенением.
Что лучше для удалённого поля: солнечный насос или генератор?
Зависит от режима. Редкий мощный полив чаще проще вести от генератора, регулярный умеренный — от солнечного насоса с ПЧ. Решение принимают после расчёта нагрузок и расходов на топливо и обслуживание.
Короткий вывод
Для орошения сначала считают панели, а не батарею: летом они совпадают с нагрузкой, и энергия расходуется сразу. Батарея оправдана при ночном поливе или отсутствии сети, но не «на всякий случай». Главный риск проекта — простой станции вне сезона, поэтому найдите зимнюю нагрузку или ограничьте мощность размером годового потребления. Пуск насоса решается плавным пуском или ПЧ, и расчёт начинайте с паспорта двигателей.