Authors

Abstract

This paper presents an improved solution for solar powered irrigation systems by integrating low-head micro-hydro turbines for energy recovery when discharging the water from the storage tank. The proposed solution is justified by the potential energy available when storing water in a tank using pumps powered by PV panels. This energy can be used to provide additional electricity when discharging the water, by placing a low-head micro-hydro turbine at the bottom of the tank. The energy produced can be used for pumping back a fraction of the consumed volume of water, or to ensure the pressure for longer distance irrigation networks. The energy surplus provided by the turbine is necessary especially when irrigating during mornings and evenings, when PV system power production is reduced. A low head micro-hydro turbine suitable for a small scale solar powered irrigation systems was tested on a dedicated testing stand in order to demonstrate its efficiency. The turbine was designed to generate 1 kW of power operating at 2.4 m head and 360 m3/h flow. The tested model reached a maximum output of 526 W at 2 m head and 240 m3/h flow. The rotor is made from thermoplastic by 3D printing, thus the flow through the turbine was limited to avoid damaging the blades. The experimental data was compared to the specific data of a small-scale solar powered irrigation system to determine the total efficiency of a hybrid irrigation system. The calculation takes into account the medium flow rate needed for turbine operation during irrigation phase, correlated with the electricity requirements of the pump for obtaining specific flows. The additional power output can increase the global efficiency of a solar powered irrigation system by feeding the electricity back to the pumping unit. For a PV power system that provides 20 kWh/day, the turbine can ensure around 22.5% of the energy needed for irrigation.

Abstract in Romanian

Această lucrare prezintă o soluție îmbunătățită pentru sistemele de irigare cu energie solară prin integrarea micro-hidroturbinelor de joasă cădere pentru recuperarea energiei la golirea apei din rezervorul de stocare. Soluția propusă este justificată de energia potențială disponibilă atunci când se stochează apă într-un rezervor de acumulare, folosind pompe alimentate de panouri fotovoltaice. Aceasta poate fi valorificată prin amplasarea unei micro-hidroturbine de joasă cădere în partea inferioară a rezervorului. Astfel, turbina poate furniza energie electrică suplimentară la descărcarea apei. Energia produsă poate fi utilizată pentru pomparea înapoi a unei fracțiuni din volumul de apă consumat sau pentru asigurarea presiunii pentru rețele de irigare pe distanțe mai lungi. Surplusul de energie produs de turbină este necesar mai ales la irigarea dimineața și seara, când producția de energie a sistemului fotovoltaic este redusă. O microturbină pretabilă pentru sistemele de irigare de mică putere care utilizează energia solară a fost testată pe un stand dedicat pentru demonstrarea eficienței acesteia. Turbina a fost proiectată să genereze o putere de 1 kW funcționând la o cădere de 2.4 metri și un debit de 360 m3/h. Modelul de turbină testat a furnizat o putere maximă de 526 W la o cădere de 2 metri și un debit de 240 m3/h. Rotorul este realizat din termoplastic prin printare 3D; prin urmare, debitul prin turbină a fost limitat pentru a evita deteriorarea palelor. Datele experimentale au fost comparate cu datele specifice ale unui sistem de irigare la scară mică, alimentat din panouri fotovoltaice, pentru a determina eficiența totală a sistemului hibrid de irigare. Calculul ține cont de debitul necesar pentru funcționarea turbinei în faza de irigare, corelat cu necesarul de energie electrică pentru obținerea debitelor specifice. Energia electrică adițională obținută poate crește randamentul global al sistemului de irigare cu energie solară prin alimentarea pompei instalației. Pentru un astfel de sistem care furnizează 20 kWh/zi, turbina poate asigura până la 22,5% din energia necesară pentru irigare.