Ekologická závlaha pozemku, za pomoci fotovoltaických článků
Konstruování s podporou PC TF / ČZU
Raboch Jan skup. č. 4 2007 / 2008
Ekologická závlaha pozemku, za pomoci fotovoltaických článků Cíl: Cílem práce, je zatím pouze teoreticky zajistit plně automatizovanou a přitom na energii zcela nezávislou závlahu pozemku. Popis: Systém se skládá z podzemní nádrže na vodu ( parametry jednotlivých komponet viz. níže ), kde se schromažďuje dešťová voda ze střešních ploch domu za pomocí okapního systému. Dešťová voda, se z nádrže čerpá pomocí čerpadla, které je zapojeno na spouštěcí relé čerpadla. Toto spouštěcí relé, je napojeno na ovládací jednotku již samotné závlahy. Jednotka ke spouštění jednotlivých sektorů využívá elektromagnetických ventilů. Jak ovládací jednotka, tak relé čerpadla, je samozřejmě zapojeno na 230V, které nám v obvodu s fotovoltaickými články zajistí měnič napětí. Abychom zajistili chod systému například i v nepříliš slunném počasí, je podmínkou zařazení baterie a k té regulátor nabíjení. Na závěr chybí už pouze to nejdůležitější a to energie, tedy fotovoltaické články.
Jednotlivé části: Podzemní nádrž na vodu - jako tuto komponentu jsem zvolil nádrž Diamant o objemu 4800 l s teleskopickým litým vyrovnávacím nástavcem - nádrž má rozměry: Délka 2450/ Šířka 1700 / Výška 2310 [mm] Čerpadlo - čerpadlo je vzhledem k podmínkám použití nutné volit takové, aby mohlo být trvale ponořené. Této podmínce odpovídá například čerpadlo: HC 7 inox - technická specifikace čerpadla HC 7 inox: max.dopravní výška 7,5 m délka pohyblivého přívodu 10 m max.dopravní množství 7500 l/h max. ponor pod hladinou 8m přípojka na hadici G1“-G1,5“ elektrický příkon 550W max. rozměr pevných částic v kapalině 5 mm jmenovité provozní napětí 230 V/AC max. teplota čerpané kapaliny 35O C hmotnost čerpadla 4,9 kg třída el. ochrany 1 el. krytí X8 IP Spouštěcí relé čerpadla - na základě například časových signálů z ovládací jednotky automaticky spouští čerpadlo. Konkrétně by šlo o Vigilec 1.
-2-
- Specifikace spouštěcího relé Vigilec 1. šířka výška hloubka napájecí napětí max. proud
200 mm 150 mm 78 mm 230 V / 50 Hz 18 A AC3
Ovládací jednotka - ovládací jednotka RainBird řady E-Class - jde o systém plně dostačující pro soukromé zahrady - jednotka nabízí nepřeberné množství naprogramování závlahy, samozřejmostí je možnost manuálního spuštění jetnolivé sekce, nebo celého závlahového systému. Přičemž sekce, je skupina postřikovačů, či jiných zavlažovacích prvků, ovládaných jedním elektromagnetickým ventilem. K jednotce, kromě spouštěcího relé čerpadla, lze také připojit například čidlo srážek, nebo čidlo vlhkosti půdy. V tom případě, by systém nebyl závislý pouze na časovém nastavení, ale stal by se více flexibilním a byl by tak zcela samostatný. - specifikace jednotky RainBird řady E-Class vstup 230 V / 50 Hz výstup 24 V / 50 Hz výkon 15,6 W počet programů 3 počet sekcí 4;6;9 ( E-4c; E-6c; E-9c ) šířka 165 mm výška 142 mm hloubka 40 mm Elektromagnetické ventily - ventily řada DV - určeny ke spínání jednotlivých sekcí závlahy pomocí signálů z ovládací jednotky - vyrobené z pevné PVC - ve ventilu dvojí filtrace vody, na membráně samočistící filtr a filtr pod cívkou -specifikace ventilu 100-DV cívka 24 V/ 50 Hz spínací proud 0,30 A ( 7,2 W ) pracovní proud 0,19 A ( 4,6 W ) výška 114 mm délka 111 mm šířka 84 mm průtok 0,75 – 9,08 m3 / h Měnič napětí - měnič napětí je v systému zapotřebí, neboť fotovoltaické články nedávají potřebné napětí, v našem případě 230 V například pro čerpadlo. Pro náš případ výkonově plně postačuje měnič SP 600 (12/24V). - specifikace měniče SP 600 ( 12/24 V )
-3-
vstupní napětí výstupní napětí trvalý výstupní výkon výstupní proudové zatížení výstupní frekvence účinnost rozměry
10 – 15 / 20 – 30 V 230 V 600 W 60 / 30 A 50 Hz 85 – 90 % 200×173×65
Akumulátor - akumulátor jsem volil gelový, jelikož systém s ovládací jednotkou bude umístěn v zahradě. U gelového akumulátoru nehrozí vytečení elektrolytu. Pro náš případ ( výpočty viz. níže ) postačuje akumulátor CS3 12-100. elektrolyt gel
kapacita 100 Ah
rozměry D×H׊[mm] 342×300×216
hmotnost 32,5 kg
životnost 10 let
Regulátory nabíjení - regulátory v obvodu slouží pro řízené dobíjení a ochranu akumulátorů proti přebíjení proudem z fotovoltaických článků. - v našem případě plně postačuje regulátor CR 20. -specifikace max. proud z panelu 20 A max. proud zátěže 20 A systémové napětí 12 / 24 V vlastní spotřeba < 4 mA rozměry 133×216×34 [mm] Fotovoltaické panely - pro tento systém jsem volil panely 100W/12V - specifikace Délka Šířka Tlouštka Hmotnost Propojovací box Přední sklo Solární články Výkonová třída / max. výkon Pmax (± 5%) Optimální napětí Umpp Napětí naprázdno Uoc Proud nakrátko Isc Optimální proud Impp Max. systémové napětí
-4-
1.310 mm 654 mm 40 mm 11 kg univerzální 4 mm 72 ks, monokrystalický 106 Wp 17,4 V 21,6 V 6,76 A 6,32 A 750 V
Výpočty: Počet potřebných fotovoltaických solárních panelů: - P udává výkon systému ( 600W s rezervou ) - t ... čas uvádějící, kolik průměrně za den bude systém v provozu - uvedené 4 hodiny průměrné denní doby ozáření, platí pro střední Evropu pro celý rok. Čili uvažujeme-li logicky provoz pouze přes letní měsíce, tak nám tato hodnota opět mírně naddimenzuje celý systém. P := 600W
t := 1.5hr
a := P⋅ t
=> požadovaný výkon ve Wh
a = 900W hr
b :=
a
4 => průměrná denní doba ozáření
4hr
b = 225W
použité 100W panely b n := 100W n = 2.25
Jsou tedy potřeba 3× 100W solární panely. Potřebný akumulátor: - výkon systému [W] / napětí [V] => příkon [A]
příkon [A] x požadovaná doba provozu [h] => potřebná kapacita [Ah] potřebná kapacita [Ah] x bezpeč. faktor [1,3] => požadovaná kapacita [Ah] P := 600W
t := 1.5hr
U := 12V
P Pp := = 50A U C := Pp ⋅ t = 75A hr Cp := C⋅ 1.3 = 97.5A hr
potřebná kapacita akumulátoru požadovaná kapacita akumulátoru
Systém je navržen s poměrně velkými rezervami, může být rozšířen o více zavlažovacích sekcí, nebo nejrůznější čidla. Veškeré funkční zařízení, jako akumulátor, relé čerpadla atd., jsou umístěna v jedné skříni, která může být umístěna například v zahradním domku. Pouze ovládací jednotka je konstrukcí přizpůsobena tak, že je nainstalována na stěně, opět například na stěně zahradního domku.
-5-
