ระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์

ระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ ออกแบบระบบ เพื่อประยุกต์การเกษตร และ ชุมชนอย่างยังยื่น

บทนำ

น้ำ เป็นปัจจัยในการดำรงชีวิตที่สำคัญ ทั้งการอุปโภค บริโภค รวมถึงการทำการเกษตรต่างๆ แต่การสูบน้ำจากแหล่งน้ำต่างๆขึ้นมาใช้ประโยชน์ ล้วนแต่ต้องใช้พลังงานทั้งสิ้น ทำให้เป็นต้นทุนค่าใช้จ่ายในชีวิตประจำวันรวมถึงการประกอบกิจการต่างๆ

เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าติดตั้งโซล่าเซลล์ นั้นเริ่มเป็นที่นิยมกันในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา และ มีความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ โดยการติดตั้งโซล่าเซลล์นั้นมีประโยชน์หลายประการ เช่น รักษาสิ่งแวดล้อม และ เป็นการลงทุนที่ความเสี่ยงต่ำ โดบปัจจุบันนี้นอกจากการติดแบบ on-grid เพื่อลดค่าไฟฟ้าสำหรับบ้านเรือนโรงงานอุตสาหกรรมแล้ว การติดตั้งโซล่าเซลล์นี้ก็ได้มีการประยุกต์ใช้ในงานปั๊มน้ำจาก solar cell (ระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์) ในการเกษตร และ อุปโภค บรืโภคกันอย่างแพร่หลายมากขึ้น

ข้อดี ปั๊มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์

ลงทุนครั้งเดียว หลังจากนั้นสามารถสูบใช้น้ำได้ฟรีๆ
สามารถติดตั้งในพื้นที่ห่างไกล ไม่ต้องต่อสายไฟของการไฟฟ้าเข้าไปในพื้นที่

ข้อเสีย ปั๊มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์

ในบางกรณีต้องมีแหล่งเก็บน้ำที่สูบขึ้นมาได้ เนื่องจากแสงอาทิตย์มีธรรมชาติที่ให้พลังงานไม่สม่ำเสมอ จึงต้องมีแหล่งกักเก็บน้ำเป็นที่สำรองน้ำเพื่อการใช้น้ำที่ต่อเนื่อง

รูปที่ 1 รูปแบบปั๊มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์

สิ่งที่ต้องรู้ในการออกแบบ “ระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์”

ปริมาณความต้องการใช้น้ำ (Flow) อาจจะระบุเป็นปริมาณลูกบาตรเมตรต่อวัน หรือลูกบาตรเมตรต่อเดือน เพื่อให้สามารถออกแบบขนาดระบบได้เหมาะสมต่อการใช้งาน
ความต่างของระดับน้ำ (Head) โดยคิดเป็นระยะทางแนวดิ่งจากจุดที่ทำการสูบน้ำไปจนถึงปลายสุดของท่อส่งน้ำ เพื่อคำนวนพลังงานที่ต้องใช้ในการสูบน้ำต่อลูกบาตรเมตร
ชนิดของแหล่งน้ำ เช่น แหล่งน้ำผิวดิน (เช่น แม่น้ำ คลอง บึง ทะเลสาบ) หรือบ่อน้ำบาดาล มีผลต่อการเลือกชนิดของปั๊มน้ำ โดยส่วนมาก แหล่งน้ำผิวดินที่ระยะ Head ไม่สูงจะใช้ปั๊มน้ำแบบหอยโข่ง เนื่องจากมีราคาถูก ปริมาณ Flow เยอะ แต่หากเป็นบ่อน้ำบาดาลที่มีระยะ Head สูงๆ นั้น ส่วนมากจะแนะนำให้ใช้ปั๊มแบบจุ่ม เพื่อให้สามารถสูบน้ำขึ้นไปที่สูงๆได้
ปั๊มน้ำ DC เป็นทางเลือกที่ดีกว่า ปั๊มน้ำ AC ในแง่ประสิทธิภาพ ดังนั้นหากมีปั๊ม DC ที่ขนาดเหมาะกับงานของเรา ก็ควรเลือกใช้ปั๊ม DC แต่หากไม่มีปั๊ม DC ที่เหมาะสม หรือต้องการสลับใช้ไฟฟ้าจากการไฟฟ้าในบางช่วงเวลาจึงเลือกใช้ปั๊ม AC แทน
หากในพื้นที่สูบน้ำมีสายส่งของการไฟฟ้าร่วมอยู่ด้วย การเลือกใช้ระบบที่รองรับทั้ง solar cell และไฟจากการไฟฟ้า สามารถช่วยลดขนาดของถังกักเก็บน้ำ หรือลดจำนวนของแผง solar cell ทำให้การลงทุนมีความคุ้นค่ามากขึ้น

รูปที่ 2 รูปแบบการติดตั้งปั๊มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์แบบ submersible pump และ surface pump

ตัวอย่างการออกแบบ ระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์

ยกตัวอย่างกรณีของประปาหมู่บ้าน ขนาดประชากร 300 คน แหล่งน้ำเป็นแหล่งน้ำบาดาล ความลึกบ่อที่ขุดไว้เท่ากับ 30 เมตร ระดับน้ำบาดาลเฉลี่ยทั้งปีอยู่ที่ความลึก 20 เมตร

คำนวนหาความต้องการน้ำ สำหรับประชาชนพื้นที่เขตเทศบาลตำบล เท่ากับ 120 ลิตร ต่อคนต่อวัน (กรมชลประทาน, 2558) ดังนั้นความต้องการน้ำของชุมชนนี้เท่ากับประมาณ 36 ลูกบาตรเมตรต่อวัน
ระดับน้ำบาดาลเฉลี่ยทั้งปีอยู่ที่ความลึก 20 เมตร จึงเลือกวางปั๊มแบบจุ่ม (submersible) อยู่ที่ความลึก 30 เมตร
ถังเก็บน้ำเดิมมีปริมาตร 40 ลูกบาตรเมตร สูงจากพื้นดิน 15 เมตร
รูปที่ 3 ตัวอย่างการออกแบบระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์
แผง solar cell ใช้แผง 360 Wp จำนวน 8 แผงต่อเข้ากับ MPPT-DC controller และต่อเข้ากับ DC ปั๊ม
ผลการออกแบบ ปริมาณน้ำที่คาดว่าจะได้สูงสุดอยู่ที่ 13,950 ลูกบาตรเมตรต่อปี (จากปริมาณน้ำที่ต้องการทั้งหมด 14,600 ลูกบาตรเมตรต่อปี) แต่เมื่อดูสาเหตุลึกๆแล้ว ที่ระบบยังไม่สามารถทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ เนื่องจากมีบางช่วงเวลาที่ถังน้ำเต็มไปก่อน (Unused Fraction = 9.2%) ดังนั้น หากสามารถเพิ่มความจุของถังเก็บน้ำได้ก็จะช่วยให้ระบบสามารถผลิตน้ำได้เพียงพอกับความต้องการใช้ตลอดทั้งปีได้รูปที่ 4 ผลการออกแบบ ระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์
อีกทางเลือกคือถ้าแก้ไขเพิ่มความจุถังไม่ได้ เราก็อาจจะแก้ไขโดยเพิ่มจำนวนแผงเข้าไปอีกหน่อย (แต่ยังไม่เกิน capacity ของ MPPT controller) เช่น กรณีนี้เราเพิ่มแผงไปอีก 2 แผง รวมเป็น 10 แผง ก็จะทำให้ได้น้ำเพิ่มขึ้นเป็น 14,282 ลูกบาตรเมตรต่อปีใกล้เคียงกับปริมาณน้ำที่ต้องการตลอดทั้งปี แต่ทั้งนี้ก็แลกมากับพลังงานสูญเปล่าที่เพิ่มขึ้น (Unused Fraction = 13.5%)

รูปที่ 5 ผลการออกแบบระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์เมื่อมีการเพิ่มแผ่นอีก 2 แผ่น

รูปที่ 6 ปริมาณการสุบน้ำในแต่ละชั่วโมง

ข้อควรระวังเมื่อใช้ ระบบสูบน้ำพลังงานแสงอาทิตย์

ปัญหาสูบน้ำไม่ขึ้น หรือปั๊มทำงานวันละ 2-3 ชม ทำให้ได้น้ำไม่เพียงพอ ส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากการเลือกใช้จำนวนแผ่น solar cell ที่น้อยเกินไป (ส่วนมากคนจะเลือกจำนวนแผง solar cell ให้รวมแล้วเท่ากับกำลังไฟฟ้าของปั๊มน้ำเท่านั้น) แต่จริงๆ แล้วควรพิจารณาใช้จำนวนแผ่นที่มากกว่าขนาดของปั๊ม หรือ inverter อีกเล็กน้อย ซึ่งการเพิ่มแผ่น solar cell ให้มีกำลังไฟฟ้าที่มากขึ้นจะทำให้ปั๊มเริ่มทำงานเร็วขึ้น รวมถึงเดินปั๊มได้ปริมาณน้ำมากขึ้นต่อวันนั่นเอง
ปัญหาการสูบน้ำจนหมดบ่อ ถ้าหากอัตราการสูบน้ำมากเกินไปจนน้ำจากบริเวณข้างเคียงไหลมาเพิ่มในบ่อไม่ทัน ทำให้น้ำหมดบ่อ ปั๊มเดินตัวเปล่านานๆ จะเกิดความเสียหาย ซึ่งการแก้ปัญหานี้ทำได้ง่ายๆ โดยการเพิ่ม level switch เพื่อตัดการทำงานของปั๊มน้ำ เมื่อระดับน้ำในบ่อลดลงต่ำกว่าค่าๆหนึ่ง (HD < Hmax)รูปที่ 7 ระดับน้ำใต้ดินเมื่อมีการสูงจะมีการลดลงซึ่งอาจจะทำให้ปั๊มเดินตัวเปล่า
ปัญหาขาดแคลนอะไหล่ หรือไม่มีบริการหลังการขาย ส่วนมากมักเกิดกับสินค้าที่ไม่มีตัวแทนจำหน่ายอย่างเป็นทางการ ซึ่งแม้ว่าระบบปั๊มน้ำพลังงานแสงอาทิตย์จะไม่มีชิ้นส่วนให้ต้องซ่อมบำรุงมากมาย แต่หากปั๊มน้ำมีปัญหาแล้วเราสามารถซ่อมแซมได้ (แทนที่จะต้องเปลี่ยนปั๊มใหม่ทั้งตัวเมื่อไม่มีอะไหล่จำหน่าย) ก็จะช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาระบบ รวมถึงต้นทุนตลอดอายุการใช้งานของระบบที่ดีกว่าการเลือกใช้สินค้าที่ไม่มีบริการหลังการขายเช่นกัน