Zuverlässigkeits- und Leistungsbewertung einer Solar-PV

Aug 04, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14174 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der Betrieb und die Wirksamkeit eines solarbetriebenen unterirdischen Wasserpumpsystems werden von vielen Umwelt- und technischen Faktoren beeinflusst. Die Auswirkungen dieser Faktoren müssen untersucht werden, um bei der Entwicklung dieser Systeme berücksichtigt zu werden und ihre Zuverlässigkeit sicherzustellen. Diese Studie bewertete die Zuverlässigkeit und Leistung von Photovoltaik-Wasserpumpsystemen (PVWPS) unter realen Betriebsbedingungen, indem sie die Auswirkungen der Sonneneinstrahlung, der Paneltemperatur und der Komponenteneffizienz untersuchte. Von Dezember 2020 bis Juni 2021 wurden Experimente an einem 10 PS starken PVWPS in Bani Salamah, Gouvernement Al-Qanater-Gizeh, Ägypten, auf 30,3° nördlicher Breite, 30,8° östlicher Länge und 19 m über dem Meeresspiegel durchgeführt. Die Einstrahlungswerte erreichten jeweils um 12:00 Uhr im Dezember, März und Juni 755,7, 792,7 und 805,7 W/m2. Darüber hinaus hat die Einstrahlungsstärke einen erheblichen Einfluss auf die Pumpendurchflussrate, da die Menge des gepumpten Wassers tagsüber 129, 164,1 bzw. 181,8 m3/Tag erreichte. Die Temperaturen der Panels stiegen auf 35,7 °C, 39,9 °C bzw. 44 °C. Es wurde beobachtet, dass bei einem Temperaturanstieg um 1 Grad Celsius der Wirkungsgrad um 0,48 % sinkt. Der durchschnittliche Wirkungsgrad von Photovoltaik-Solarmodulen erreichte seinen höchsten Wert im März (13,8 %) und seinen niedrigsten Wert im Dezember (13 %).

Der Strombedarf ist aufgrund des rasanten Anstiegs der Weltbevölkerung und der Technologie gestiegen. Die Nutzung fossiler Brennstoffe, die dazu führt, dass erhebliche Mengen CO2 in die Atmosphäre gelangen, ist einer der Faktoren, die einen erheblichen Einfluss auf den Klimawandel haben. Aufgrund dieser Faktoren haben viele Nationen begonnen, eine saubere, zugängliche und erneuerbare Energieform zu nutzen, die nachhaltig ist (hauptsächlich Solarenergie)1,2. Zur Bewässerung werden üblicherweise dieselbetriebene Pumpen eingesetzt. Aufgrund des Anstiegs des Ölpreises auf dem internationalen Markt, der schädlichen Emissionen bei der Verbrennung, der hohen Wartungskosten und der kurzen Lebensdauer waren die Hersteller jedoch gezwungen, eine Alternative zu finden. Der Einsatz erneuerbarer Energien kann den Bedarf an fossilen Brennstoffen verringern. Da Solarenergie selbst in abgelegenen Gebieten weit verbreitet ist, ist sie eine sinnvolle Alternative zu dieselbetriebenen Wasserpumpen3,4. Solarenergie ist eine umweltfreundliche, erneuerbare Energiequelle, die im Vergleich zu auf fossilen Brennstoffen basierenden Brennstoffen zur Energieerzeugung keine negativen Auswirkungen auf die Umwelt hat und die Energie in ländlichen Gebieten genutzt werden kann, in denen Strom nicht leicht zugänglich ist. Es ist eine der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen, die zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden kann, die dann als Stromquelle zum Antrieb einer elektrischen Wasserpumpe für Bewässerungszwecke genutzt werden kann5,6. Die Energie der Sonnenstrahlung wird hauptsächlich zur Erzeugung thermischer und elektrischer Energie genutzt. Es handelt sich um eine Ersatzmethode zur Stromerzeugung für ein breiteres Spektrum industrieller Anwendungen sowie in einigen anderen Bereichen wie Bauanwendungen, Lebensmittelaufbewahrungsprodukten und landwirtschaftlichen Anwendungen zum Antrieb von Pumpen, Motoren und verschiedenen Industriegeräten wie Ventilatoren und Kühlschränken7. 8. Die Verwendung eines eigenständigen PV-Systems (die Nomenklatur ist in Tabelle 1 dargestellt) im Landwirtschaftssektor zur Bewässerung erfreut sich weltweit immer größerer Beliebtheit. Durch den Einsatz von Solarstrom wird die Nutzung grüner Energie im System sichergestellt9,10. Da Ägypten ein Land im Sonnengürtel ist, erhält es viel direkte Sonneneinstrahlung mit jährlichen Mengen zwischen 2000 und 3200 kWh/m2 von Norden nach Süden. Die Sonnenscheindauer liegt zwischen 9 und 11 Stunden, wobei es das ganze Jahr über einige bewölkte Tage gibt11,12. Solarbetriebene Pumpsysteme stellen Wasser für eine Vielzahl von Verwendungszwecken bereit, darunter für den Hausgebrauch und zur Deckung des Wasserbedarfs im Bereich der Bewässerung, Viehtränke und Dorfwasserversorgung10,13. Ein PV-Energiegenerator, Stromwandler, ein Elektromotor und eine Pumpe sind die Komponenten eines solarbetriebenen Wasserpumpsystems14,15. Sonnenenergie lässt sich thermisch nutzen, indem Solarthermiekollektoren zum Heizen und Trocknen eingesetzt werden, oder photovoltaisch, indem Sonnenlicht mithilfe von Solarzellen aus Halbleitermaterialien wie Silizium in Strom umgewandelt wird. Solarmodule, auch Photovoltaikmodule genannt, werden durch die Reihenschaltung von Solarzellen hergestellt. Beide Typen finden in der Landwirtschaft zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, erleichtern das Leben und tragen zur Produktivitätssteigerung bei. Der durch Solarenergie erzeugte Strom kann dann zum Antrieb der Wasserpumpe verwendet oder gespeichert werden, indem tagsüber Wasser in einen hohen Tank gepumpt und nach Einbruch der Dunkelheit durch die Schwerkraft verteilt wird. Um die tagsüber erzeugte Energie für elektrische Anwendungen in der Nacht zu speichern, ist eine Batterie erforderlich16,17. Es gibt zwei Methoden, Wasser mit einer Photovoltaikanlage zu pumpen: Bei der ersten Technik, dem so genannten „Pumpen in der Sonne“, wird Sonnenenergie in „Echtzeit“ verbraucht. Diese Lösung erfordert die Speicherung von Wasser in einem Tank (tagsüber gepumptes Wasser wird beispielsweise für die spätere Verwendung am Abend gespeichert). Die zweite Technik besteht darin, Batterien zur Energiespeicherung zu nutzen. Die tagsüber gespeicherte Energie kann später zum Pumpen von Wasser genutzt werden18. Die Ausgangsleistung einer Photovoltaikanlage wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter Sonneneinstrahlung, PV-Oberflächentemperatur, Schatten, Neigungswinkel und Staubansammlung. Beim Entwurf eines PV-Systems sollten eine Reihe von Faktoren und Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden, darunter unter anderem Neigungswinkel, Einstrahlung und Temperatur. Diese Variablen haben einen erheblichen Einfluss auf die Ausgangsleistung der PV19,20,21. Wenn die Oberflächentemperatur des Solarmoduls im Sommer und Winter um 1 °C steigt, sinkt der Wirkungsgrad um 0,48 % bzw. 0,42 %22,23. Die Ausgangsleistung einer Photovoltaikanlage wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter der PV-Oberflächentemperatur, dem Neigungswinkel und der Effizienz der Systemkomponenten. Diese Faktoren sollten bei der Planung und dem Betrieb einer PV-Anlage untersucht und berücksichtigt werden. Wenn die Oberfläche des PV-Moduls direkt senkrecht zu den Sonnenstrahlen steht, wird die maximale Ausgangsenergie einer PV-Zelle erzielt. Da der Tracker auf maximale Einstrahlung ausgerichtet ist, erzeugt er mehr PV-Leistung als die horizontale Ausrichtung24,25. Es wurde festgestellt, dass viele der PV-Wasserpumpstationen, obwohl sie aus technischer Sicht gut konzipiert sind, danach während des Betriebsprozesses mit Problemen konfrontiert sind und dass auch die von der Station gepumpten Wassermengen geringer sind als erwartet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass den Umwelt- und technischen Faktoren, die sich negativ auf die Station und ihre Leistung auswirken, keine Beachtung geschenkt wird. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Zuverlässigkeit und Leistung des PV-betriebenen unterirdischen Wasserpumpsystems unter tatsächlichen Betriebsbedingungen zu untersuchen, negative Einflussfaktoren auf das PV-System zu untersuchen und die Möglichkeit aufzuzeigen, dass dieses System als sicheres und zuverlässiges System genutzt werden kann zuverlässige Alternative zu den traditionellen Energiesystemen, die teuer sind und die Umwelt belasten.

Die Experimente wurden von September 2020 bis Juni 2021 in Bani Salamah, Al-Qanater, Gouvernement Gizeh, Ägypten, auf dem Breitengrad 30,325364° N, dem Längengrad 30,805797° E und 19 m über dem Meeresspiegel durchgeführt und alle 15 Minuten gemessen durch den Tag zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang.

Der Entwurf des Solarwasserpumpsystems durchläuft mehrere Phasen, und einige Informationen wie der tägliche Wasserverbrauch, der statische Wasserstand sowie die Länge und der Durchmesser der Pumprohre müssen bekannt sein. Im vorliegenden Fall beträgt der durchschnittliche Wasserverbrauch = 175 m3/Tag, der statische Pegel = 47 m, die Absenkung = 5 m, die Länge der Pumprohre = 70 m, der Druck des Bewässerungsnetzes = 1 bar und der Durchmesser der Pumprohre = 3 Zoll = 76,2 mm.

Die gesamte dynamische Förderhöhe TDH (m) und die Durchflussrate Q (m3/h) sollten genau angegeben werden, um die geeignete Pumpe auszuwählen.

Die Reibungshöhe Hf (m) stellt den Druckverlust im Rohr aufgrund des Bruchs dar. Der Reibungskopf konnte von Hazen William als Gl. berechnet werden. (1)26.

wobei Hf = Reibungsverluste (m), K = konstanter Koeffizient = 1,22*1010, L = Länge der Pumprohre (m), Q = Fördermenge (lit/s), d = Innendurchmesser der Pumprohre (mm).

Die gesamte dynamische Förderhöhe TDH könnte als Gleichung ausgedrückt werden. (2)27:

wobei Hst = statische Förderhöhe (m), Hd = Absenkförderhöhe (m), Hf = Reibungsförderhöhe (m) und Hp = Druckförderhöhe (m).

Die geeignete Pumpe muss aus den Pumpeneffizienzschemata mit Auslass (25 m3/h) und TDH (70 m) ausgewählt werden. Schemes empfahl eine Pumpe mit 10 PS und 8 Stufen.

Die erforderliche hydraulische Leistung HP (W) könnte als Gleichung ausgedrückt werden. (3)22.

wobei HP = hydraulische Leistung (W), Q = Fördermenge (m3/h), ρ = Wasserdichte (1000 kg/m3), g = Erdbeschleunigung (9,81 m/s2).

Wechselrichter: Der passende Wechselrichter für die Pumpe kann wie folgt ausgewählt werden28: Wechselrichterleistung ≥ Motorleistung.

Zum Einsatz kommt ein Lorentz-Solarwechselrichter 15 kW. Aus dem Datenblatt des Wechselrichters (MPPT-Spannung 500 bis 600 V).

Die Leistung der Panels sinkt während der Morgen-, Bewölkungs- und Sonnenuntergangsperioden. Die Gesamtleistung, die zum Betrieb der Pumpe benötigt wird. Multipliziert mit 1,25 bestimmt die Größe der PV-Module29. Leistung des Solarmoduls = 1,25 × 10 PS = 12,5 PS = 12,5 PS × 745,7 W = 9321 W. Anzahl der Module = 9321/260≃36 Module.

Die Art der Verbindung zwischen den Modulen (parallel oder in Reihe) hängt von der Spannung und dem Strom ab, die der Wechselrichter für einen effizienten Betrieb benötigt. Dem Datenblatt des Lorentz-Wechselrichters zufolge beträgt der MPPT-Spannungsbereich daher 500 bis 600 V. Daher wurden jeweils 18 Panels in Reihe geschaltet, um zwei Arrays zu bilden. Spannung jedes Arrays = 18 × 30,5 = 549 V.

Die beiden Array-Sätze wurden parallel geschaltet, um einen Strom von 2 × 8,53 = 17,06 Ampere zu ergeben. Abbildung 1 zeigt den Schaltplan für ein PV-Wasserpumpsystem, die elektrischen Komponenten und Anschlussmethoden.

Der elektrische Schaltplan für die PV-Anlage.

PV-Zellen sind die Grundbausteine ​​fast aller PV-Module. Um die Spannung zu erhöhen, werden Panels in Reihe geschaltet. Mehrere dieser Zellstränge können parallel geschaltet werden, um den Strom zu erhöhen. Implementierte Photovoltaikanlage (PV), bestehend aus zwei Array-Gruppen, die jeweils aus 18 Modulen bestehen, die mit einer Metallstruktur in Reihe verbunden sind, deren Neigungswinkel manuell geändert werden kann, wie in Abb. 2 dargestellt. Um dem Wechselrichter einen Strom von 17 zu geben A und 549 V, zwei Gruppen wurden parallel geschaltet. Der in diesen Experimenten verwendete Modultyp ist Renesola (JC260M-24/Bb) 260 W. Das Datenblatt für das Modul ist in Tabelle 2 dargestellt.

Die beiden Sätze von PV-Arrays.

Der Wechselrichter wandelt den von den PV-Modulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der zum Antrieb des Pumpenmotors verwendet wird. Außerdem passt es die Ausgangsfrequenz in Echtzeit an die vorherrschende Einstrahlungsstärke an und arbeitet mit der MPPT-Technologie (Maximum Power Point Tracking), um die Leistungsabgabe bei allen Einstrahlungsstärken zu maximieren. Tabelle 3 zeigt das Datenblatt des Lorentz-Wechselrichters.

Die Pumpeinheit besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Drehstrommotor, einer mehrstufigen Tauchpumpe und einem Tiefbrunnen. Tabelle 4 zeigt die technischen Daten des 3-Phasen-Tauchelektromotors Vansan VSM 6/10. Die technischen Daten der Kreisel-Tauchpumpe Vansan VSP-SS 06030/08 sind in Tabelle 5 aufgeführt, und die Leistungskurven sind in Abb. 3 dargestellt.

Die Pumpenleistungskurven.

Zur Messung der Sonnenstrahlung wurde ein Pyranometer verwendet, wie in Abb. 4 dargestellt. Es besteht aus einer Glaskuppel, einem Thermosäulensensor und einem Instrumentengehäuse. Über einen weiten Wellenlängenbereich wird die einfallende Strahlung von einer geschwärzten horizontalen Oberfläche praktisch vollständig absorbiert. Abhängig vom Temperaturunterschied zwischen der schwarzen absorbierenden Oberfläche und dem Gehäuse des Instruments erzeugt der Detektor eine sehr kleine Spannung. Diese liegt in der Größenordnung von 10 Mikrovolt pro Quadratmeter (W). Der Kalibrierungsprozess bestimmt die spezifische Empfindlichkeit jedes Pyranometers, die verwendet wird, um das Ausgangssignal in Mikrovolt in die Gesamtbestrahlungsstärke in W/m2 umzuwandeln. Die Empfindlichkeit der verwendeten KIPP&ZONEN Pyranometer beträgt (12,11*10–6) V/Wm-2 und (14,11*10–6) V/Wm−2. Um das Ausgangssignal des Pyranometers in mV in die Globalstrahlung in W/m2 umzuwandeln, muss Gl. (4) wurde verwendet.

wobei IR: Sonneneinstrahlung, W/m2, Pyranometerempfindlichkeit: (12,11*10–6) V/Wm-2 und (14,11*10–6) V/Wm-2, mV= Pyranometerausgang.

Pyranometer.

Die Temperatur der Solarmodule wurde stündlich von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang mit einem digitalen Infrarot-Thermometer gemessen. Tabelle 6 zeigt das Datenblatt des Infrarot-Thermometers. Außerdem wurde ein Thermoelement-Thermometer zur Temperaturmessung verwendet. Tabelle 7 zeigt das Datenblatt des Infrarot-Thermometers.

Zur Messung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der PV-Anlage wurde ein UNI-T UT39C-Multimeter verwendet. Ein Multimeter, allgemein als Volt/Ohm-Meter bezeichnet, ist ein elektronisches Messgerät, das mehrere Funktionen in einem einzigen Gerät vereint. Spannungs-, Strom- und Widerstandsmessungen gehören zu den Funktionen eines typischen Multimeters. Das Datenblatt des Digitalmultimeters ist in Tabelle 8 dargestellt. Zur Bestimmung der Leistung wurde das Ohmsche Gesetz verwendet (Gleichung 5).

wobei PDC: Ausgangsleistung der PV-Anlage, W; IDC: Strom, Ampere; VDC: Spannung, Volt.

Der 4-Zoll-Durchflussmesser mit 10 bar (ISO 4064 Klasse B) ist ein Gerät zur kontinuierlichen Messung, Aufzeichnung und Anzeige des Wasservolumens, das unter Messbedingungen durch den Messumformer fließt. Das Datenblatt des Durchflussmessers ist in Tabelle 9 dargestellt.

Die durchschnittlichen täglichen Sonnenscheinstunden in ganz Ägypten betragen etwa 9–11 Stunden, sodass Ägypten reichlich Sonnenenergie mit einer jährlichen direkten Sonneneinstrahlung von etwa 2.000–3.200 kWh/m2/Jahr erhält30. Die Intensität der Sonnenstrahlung wurde mit einem Pyranometer und einem digitalen Sonnenstrahlungsmessgerät gemessen. Abbildung 5 zeigt die stündliche durchschnittliche Sonneneinstrahlung (W/m2) für die Monate Dezember 2020, März 2021 und Juni 2021. Die Ergebnisse zeigten, dass die höchsten Werte der Sonneneinstrahlung 976,5, 1067,3 bzw. 981,0 W/m2 erreichten 12.00

Stündliche durchschnittliche Sonneneinstrahlung in verschiedenen Monaten (Dezember, März und Juni).

Die tägliche durchschnittliche Sonneneinstrahlung ist in Abb. 6 dargestellt, die den Anstieg der täglichen durchschnittlichen Sonneneinstrahlung im Juni (805,7 W/m2) im Vergleich zu März (792,7 W/m2) und Dezember (755,7 W/m2) veranschaulicht. Auffällig ist, dass die Intensität der Sonneneinstrahlung an sonnigen Tagen zunimmt und an bewölkten Tagen, an denen Wolken die Sonnenstrahlen streuen, abnimmt. Außerdem variiert die Intensität der Sonnenstrahlung mit der Zirkulation der Erde um ihre Umlaufbahn und um die Sonne, wobei die Strahlung am frühen Morgen und im Winter (Dezember) abnimmt, weil der Höhenwinkel der Sonne klein ist und die Strahlung eindringt weite Entfernung der Atmosphäre, während im Mittag und Sommer (Juni) die Intensität der Sonnenstrahlung zunimmt, weil der Höhenwinkel groß wird. und die Strahlung dringt über eine kurze Distanz in die Atmosphäre ein31.

Tagesdurchschnittliche Sonneneinstrahlung (W/m2) in verschiedenen Monaten (Dezember, März und Juni).

Der von den Modulen erzeugte Strom wird direkt und gleichmäßig von der Sonneneinstrahlung beeinflusst32. Dabei nimmt der erzeugte Strom zu, wenn die Strahlung zunimmt, und ab, wenn die Sonneneinstrahlung abnimmt. Abbildung 7 zeigt den Zusammenhang zwischen dem von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) und der Intensität der Sonnenstrahlung im März bzw. Juni. Der von Solarmodulen erzeugte Gleichstrom (DC) wird durch die Intensität der Sonnenstrahlung positiv beeinflusst, wie in Abb. 8 dargestellt.

Sonneneinstrahlung (IR) und Gleichstrom (DC) im März und Juni.

Die stündliche durchschnittliche Strahlung und der Gleichstrom.

Die vom PV-Generator gelieferten stündlichen Durchschnittsspannungen sind in Abb. 9 für die Monate Dezember, März und Juni dargestellt. Es ist klar, dass der Dezember die höchsten Spannungswerte aller Monate aufweist, gefolgt vom März und die niedrigsten Werte im Juni. Es ist zu beobachten, dass die Monate mit der höchsten Sonneneinstrahlung und Temperatur diejenigen mit der niedrigsten Ausgangsspannung der PV-Anlagen waren, was durch hohe Temperaturen im Sommer und eine klare Atmosphäre beeinträchtigt werden kann. Es ist auch ersichtlich, dass die Spannung durch die Sonneneinstrahlung33 nicht wesentlich beeinflusst wird, wie in Abb. 10 dargestellt.

Stündliche durchschnittliche PV-Systemspannung in verschiedenen drei Monaten (Dezember, März und Juni).

Die stündliche durchschnittliche Strahlungs- und PV-Systemspannung.

Der von Solarmodulen erzeugte Gleichstrom wird von der Intensität der Sonnenstrahlung beeinflusst. Abbildung 11 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Gleichstromleistung und Einstrahlungsstärke im März bzw. Juni. Abbildung 12 zeigt den positiven Zusammenhang zwischen Sonneneinstrahlung und der von den Panels erzeugten elektrischen Leistung, der auf dem positiven Zusammenhang zwischen Strahlung und elektrischem Strom basiert. Abbildung 13 zeigt den Tagesdurchschnitt der von PV-Modulen erzeugten elektrischen Gleichstromleistung für die Monate Dezember, März und Juni. Es ist zu beobachten, dass der März den ganzen Tag über die höchsten Leistungswerte aufweist, gefolgt vom Juni, und die niedrigsten Werte im Dezember. Es ist klar, dass der Juni den Monat mit der höchsten Sonneneinstrahlung hat, aber in diesem Monat war die Leistung geringer als im März, weil die Modultemperatur im Juni höher war als im März, sodass der Wirkungsgrad im März höher war als im Juni33.

Der Zusammenhang zwischen Einstrahlung und Gleichstromleistung im März und Juni.

Die stündliche durchschnittliche Strahlung und Gleichstromleistung.

Die tägliche durchschnittliche elektrische Gleichstromleistung in verschiedenen Monaten.

Es stellt sich heraus, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Wasserkraft und der Intensität der Sonneneinstrahlung besteht, wie in Abb. 14 für März und Juni dargestellt. Experimente haben gezeigt, dass die hydraulische Leistung mit zunehmender Intensität der Sonneneinstrahlung zunimmt. Abbildung 15 verdeutlicht den positiven Zusammenhang zwischen Sonneneinstrahlung und elektrischer Leistung. Die täglichen Durchschnittswerte der hydraulischen Leistung erreichten im Dezember, März und Juni 3795,2, 4312,3 bzw. 4207,4 W.

Die Korrelation zwischen Bestrahlungsstärke (IR) und hydraulischer Leistung (HP) im März und Juni.

Die stündliche durchschnittliche Strahlung und hydraulische Leistung.

Die Intensität der Sonnenstrahlung (IR) hat einen erheblichen Einfluss auf die Pumpenentladung (Q)34. Der Zusammenhang zwischen Durchflussmenge und Intensität der Sonneneinstrahlung ist in Abb. 16 für März und Juni dargestellt. Abbildung 17 zeigt den stündlichen durchschnittlichen Pumpenaustrag über drei Monate. Der stündliche Durchschnittsdurchfluss erreichte im Dezember, März und Juni Werte von 18,2, 22,2 und 22,8 m3/h. Die Betriebsstunden der Pumpe betrugen 7, 7 und 8 Stunden, und die Wassermenge, die tagsüber gepumpt wurde, betrug 129, 164,1 bzw. 181,8 m3/Tag.

Der Zusammenhang zwischen Einstrahlung und Abfluss im März und Juni.

Stündlicher durchschnittlicher Abfluss (m3/h) in verschiedenen Monaten.

Umweltfaktoren rund um Solarmodule wirken sich direkt auf die Solarmodulproduktion aus, wobei die Temperatur den größten Einfluss auf die Moduleffizienz hat35. Wo sich das Panel erwärmt und die Leistung des Panels aufgrund der erhöhten Lufttemperatur abnimmt. Abbildung 18 zeigt die durchschnittliche Temperatur der Panels mit Werten von 35,7 °C, 39,9 °C und 44 °C im Dezember, März und Juni.

Durchschnittliche Temperatur der Panels über vier Monate.

Die Effizienz von Solarmodulen wird durch einen Temperaturanstieg negativ beeinflusst, wie in Abb. 19 dargestellt. Daher ist die Leistung in einem Monat mit hohen Temperaturen wie Juni geringer als die Leistung in einem Monat mit gemäßigten Temperaturen wie März. Der Wirkungsgrad der Panels hat um 12:00 Uhr den niedrigsten Wert, da die Temperatur tagsüber am höchsten ist. Aus Abb. 20 ist ersichtlich, dass bei steigender Temperatur die Effizienz der Module abnimmt, und wenn die Temperatur tagsüber den höchsten Wert von 47,4 °C erreicht, sinkt die Effizienz der Module mittags auf den niedrigsten Wert von 12,8 %. Außerdem ist klar, dass bei einem Temperaturanstieg um 1 °C der Wirkungsgrad der Module ηpanels um 0,48 % abnimmt. Frühere Studien ergaben einen Wirkungsgradabfall von 0,5 %/1 °C36.

Die Korrelation zwischen der Paneltemperatur und ihrer Effizienz.

Paneltemperatur und Paneleffizienz im Sommer.

Der Wechselrichter kann aufgrund seiner Bedeutung als das Herzstück des Systems angesehen werden. Es handelt sich um ein elektronisches Gerät, das den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in einen geeigneten Alternativstrom (AC) umwandelt, um die Pumpe zu betreiben. Es steuert auch die Pumpe, reguliert ihren Betrieb und schützt sie vor Änderungen des von Solarmodulen erzeugten Stroms. Die Leistung des Wechselrichters wurde anhand verschiedener Faktoren wie Frequenz, Ausgangsleistung und Effizienz untersucht.

Die Wechselrichterfrequenz wurde direkt durch den von Solarmodulen erzeugten Gleichstrom beeinflusst37, wie in Abb. 21 dargestellt. Während der höchste Strom im März auftrat, erreichte die durchschnittliche Frequenz 46,6 Hz, und der niedrigste Strom im Dezember, die durchschnittliche Frequenz erreichte 44,6 Hz Hz. wobei der durchschnittliche Frequenzwert im Juni 46,4 Hz betrug, wie in Abb. 22 dargestellt. Die höchsten Frequenzwerte lagen um 12:00 Uhr mittags und erreichten 47,4, 50 bzw. 48,5 Hz im Dezember, März und Juni, wie zu sehen ist in Abb. 23.

Der Zusammenhang zwischen Gleichstrom (IDC) und Frequenz (Hz).

Gleichstrom und Frequenz in verschiedenen Monaten.

Wechselrichterfrequenz (Hz) in verschiedenen Monaten.

Die Werte der vom Wechselrichter gelieferten elektrischen Wechselstromleistung hängen positiv von den Werten der elektrischen Eingangsgleichstromleistung und dem Wirkungsgrad des Wechselrichters ab38. Der Zusammenhang zwischen Wechsel- und Gleichstrom ist in Abb. 24 für März und Juni dargestellt. Der höchste Gleichstromwert wurde im März und der niedrigste Wert im Dezember verzeichnet. Daher ist aus Abb. 25 ersichtlich, dass die höchsten AC-Leistungswerte im März und die niedrigsten Werte im Dezember lagen. Wobei die durchschnittlichen Wechselstromleistungswerte im Dezember, März und Juni 6416,2, 7119,7 und 6748,6 W erreichten.

Die Korrelation zwischen DC Power PDC und AC Power PAC im März und Juni.

Durchschnittlicher Wechselstrom-PAC in verschiedenen Monaten.

Wie in Abb. 26 dargestellt, hat der von Solarmodulen gelieferte Gleichstrom einen direkten Einfluss auf die Wechselrichtereffizienz. Wo der Wechselrichter mit der entsprechenden Spannung und dem passenden Gleichstrom versorgt werden sollte, um ihn effizient zu betreiben38. Während die durchschnittlichen Gleichstromwerte im Dezember und März 12 bzw. 13,64 Ampere erreichten. Daher erreichte der durchschnittliche Wirkungsgrad des Wechselrichters 89,64 % bzw. 90,43 %, wie in Abb. 27 dargestellt.

Der Zusammenhang zwischen Gleichstrom (DC) und Wechselrichtereffizienz.

Der durchschnittliche Wechselrichterwirkungsgrad ηinv in verschiedenen Jahreszeiten.

Der durchschnittliche Wirkungsgrad der Pumpeinheit (ηpump) für verschiedene Monate ist in Abb. 28 dargestellt, wobei die Effizienzwerte (ηpump) im Dezember, März und Juni 63,5 %, 67,6 % bzw. 68,7 % erreichten. Es ist klar, dass der Wirkungsgrad der Pumpeinheit (ηPump) von der Intensität der Sonnenstrahlung IR, der Paneltemperatur und der Wechselstromleistung (PAC) beeinflusst wird. Abbildung 29 veranschaulicht die Korrelation zwischen der Effizienz der Pumpeinheit und der Sonneneinstrahlung, und Abb. 30 veranschaulicht die Korrelation zwischen der Effizienz der Pumpeinheit und der Wechselstromleistung.

Die durchschnittliche Effizienz der Pumpeinheit in verschiedenen Monaten.

Intensität der Sonneneinstrahlung und Effizienz der Pumpeinheit.

Wirkungsgrad von Wechselstrom und Pumpeinheit im Juni.

Der Gesamtsystemwirkungsgrad kann berechnet werden, indem der Systemausgang (hydraulische Leistung) durch den Systemeingang (Solarstrahlungsleistung) dividiert wird oder indem der Wirkungsgrad aller Systemkomponenten (Solarmodule, Wechselrichter und Pumpeinheit) multipliziert wird. Die Gesamteffizienz des Systems wird direkt von der Sonneneinstrahlung beeinflusst, wenn die Sonneneinstrahlung jedoch mittags 900 W/m2 überschreitet, geht dies mit einem Temperaturanstieg einher, der sich negativ auf die Effizienz der Solarmodule und damit auf die Gesamteffizienz des Systems auswirkt. wie in Abb. 31 dargestellt. Im Dezember, März und Juni betrug der durchschnittliche Systemwirkungsgrad 7,40 %, 8,46 % und 8,51 %.

Intensität der Sonneneinstrahlung und Gesamteffizienz.

Sonneneinstrahlung, Modultemperatur und Komponenteneffizienz sind die wichtigsten Faktoren, die den Betrieb und die Leistung von PV-Wasserpumpsystemen beeinflussen. Die Spannung der Module wird durch die Sonneneinstrahlung nicht wesentlich beeinflusst und bleibt tendenziell stabil, während der Gleichstrom direkt und gleichmäßig von der Sonneneinstrahlung beeinflusst wird. Darüber hinaus sinkt der Wirkungsgrad des Panels um 0,48 Prozent, wenn die Temperatur des Panels um 1 °C steigt. Die Einstrahlung und die Anzahl der Sonnenstunden hatten einen erheblichen Einfluss auf die tagsüber gepumpte Wassermenge, die im Dezember, März und Juni 129, 164,1 bzw. 181,8 m3/Tag erreichte. Insgesamt betrug der durchschnittliche Gesamtwirkungsgrad des Systems 7,40 %, 8,46 % bzw. 8,51 %. Daher zeigten die Ergebnisse der Studie die Zuverlässigkeit von PV-betriebenen unterirdischen Wasserpumpsystemen, vorausgesetzt, dass negative Umwelt- und technische Faktoren bei der Entwicklung und Gestaltung dieser Systeme berücksichtigt werden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB). Diese Forschung erhielt keine spezifischen Zuschüsse von Förderstellen im öffentlichen, kommerziellen oder gemeinnützigen Sektor.

Abteilung für Agrartechnik, Fakultät für Landwirtschaft, Universität Kairo, Gizeh, Ägypten

Nesma Mohamed Ahmed

Abteilung für Agrartechnik, Fakultät für Landwirtschaft, Universität Kairo, Gizeh, Ägypten

Ahmed Mahrous Hassan und Mohamed Abdelwahab Kassem

Kernforschungszentrum, Ägyptische Atomenergiebehörde, Inshas, ​​Ägypten

Ahmed Mahmoud Hegazi

Fakultät für Agrartechnik, Al-Azhar-Universität, Kairo, Ägypten

Youssef Fayez Elsaadawi

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Alle Autoren beteiligten sich an den Experimenten. Alle Autoren waren an der Erstellung des Manuskripts beteiligt. Alle Autoren beteiligten sich an der Prüfung des Manuskripts. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Youssef Fayez Elsaadawi.

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel beschriebene Arbeit beeinflusst hätten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ahmed, NM, Hassan, AM, Kassem, MA et al. Zuverlässigkeits- und Leistungsbewertung eines solar-PV-betriebenen unterirdischen Wasserpumpsystems. Sci Rep 13, 14174 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41272-5

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Eingegangen: 17. April 2023

Angenommen: 24. August 2023

Veröffentlicht: 30. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41272-5

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