EFFICIENCY OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF WATER LIFTING PUMPING SYSTEMS
The efficiency of structures of electromechanical water supply systems powered by renewable energy sources is investigated under conditions where static head losses constitute a significant share of the total hydraulic network head losses. In such cases, at nominal supply parameters of the pumping u...
Saved in:
| Date: | 2026 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2026
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/611 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1861137264465149952 |
|---|---|
| author | Popovych , O. |
| author_facet | Popovych , O. |
| author_sort | Popovych , O. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-03-30T21:07:05Z |
| description | The efficiency of structures of electromechanical water supply systems powered by renewable energy sources is investigated under conditions where static head losses constitute a significant share of the total hydraulic network head losses. In such cases, at nominal supply parameters of the pumping unit, the energy potential of the renewable energy source is not utilized when its instantaneous power is lower than the required power consumption of the pumping unit, and is only partially utilized when it exceeds this value. Using a water lifting system powered by photovoltaic modules as an example, the paper presents the results of a comparative numerical study based on comprehensive mathematical models of the system. Conditions for the feasibility of applying water lifting systems with variable supply frequency and intermediate energy storage devices instead of systems with nominal supply parameters of the pumping unit are determined. The study, taking into account the daily non-uniformity of solar radiation, is performed using approximation dependencies of this non-uniformity for June and January conditions. A simulation model of the water lifting system is substantiated, incorporating approximation of pump head characteristics as functions of angular velocity and flow rate, as well as refined modeling of an induction motor under low-load conditions. Steady-state operat-ing parameters of the electromechanical water lifting system are determined by solving differential equations of electrical, mechanical, and hydraulic equilibrium until steady-state conditions are reached. The optimal area of photovoltaic modules (solar panels) is determined according to the criterion of maximizing the daily volume of extracted water per unit area of the panels. Based on modeling results of steady-state modes with variable supply frequency, a dependence of the pumping unit productivity as a function of renewable energy source power is obtained. This dependence is used for a comparative study of three system configurations: with nominal supply parameters; with variable frequency and voltage; and with the use of an intermediate energy storage device—a gravity energy storage unit. It is shown that the feasibility of applying frequency and voltage control of pumping units in water lifting systems powered by renewable energy sources instead of stable industrial grid conditions increases with decreasing solar radiation intensity. In this case, the increase in the daily extracted water volume exceeds 80%. Under limitations of frequency control capabilities caused by dominance of static head over pump head at low solar radiation levels, the application of an intermediate energy storage device – a gravity energy storage unit – is justified. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2026.1(84).268-283 |
| first_indexed | 2026-03-31T01:00:08Z |
| format | Article |
| id | veorgua-article-611 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-03-31T01:00:08Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | veorgua-article-6112026-03-30T21:07:05Z EFFICIENCY OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF WATER LIFTING PUMPING SYSTEMS ЕФЕКТИВНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ ЕНЕРГІЇ ВІДНОВЛЮВАНИХ ДЖЕРЕЛ ДЛЯ ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯ НАСОСНИХ УСТАНОВОК ВОДОПІДЙОМУ Popovych , O. induction motor, pumping unit, photovoltaic modules, frequency control, gravity energy storage, comprehensive math-ematical model. асинхронний двигун, насосний агрегат, фотоелектричні модулі, регулювання частоти, гравітаційний акумулятор, комплексна математична модель. The efficiency of structures of electromechanical water supply systems powered by renewable energy sources is investigated under conditions where static head losses constitute a significant share of the total hydraulic network head losses. In such cases, at nominal supply parameters of the pumping unit, the energy potential of the renewable energy source is not utilized when its instantaneous power is lower than the required power consumption of the pumping unit, and is only partially utilized when it exceeds this value. Using a water lifting system powered by photovoltaic modules as an example, the paper presents the results of a comparative numerical study based on comprehensive mathematical models of the system. Conditions for the feasibility of applying water lifting systems with variable supply frequency and intermediate energy storage devices instead of systems with nominal supply parameters of the pumping unit are determined. The study, taking into account the daily non-uniformity of solar radiation, is performed using approximation dependencies of this non-uniformity for June and January conditions. A simulation model of the water lifting system is substantiated, incorporating approximation of pump head characteristics as functions of angular velocity and flow rate, as well as refined modeling of an induction motor under low-load conditions. Steady-state operat-ing parameters of the electromechanical water lifting system are determined by solving differential equations of electrical, mechanical, and hydraulic equilibrium until steady-state conditions are reached. The optimal area of photovoltaic modules (solar panels) is determined according to the criterion of maximizing the daily volume of extracted water per unit area of the panels. Based on modeling results of steady-state modes with variable supply frequency, a dependence of the pumping unit productivity as a function of renewable energy source power is obtained. This dependence is used for a comparative study of three system configurations: with nominal supply parameters; with variable frequency and voltage; and with the use of an intermediate energy storage device—a gravity energy storage unit. It is shown that the feasibility of applying frequency and voltage control of pumping units in water lifting systems powered by renewable energy sources instead of stable industrial grid conditions increases with decreasing solar radiation intensity. In this case, the increase in the daily extracted water volume exceeds 80%. Under limitations of frequency control capabilities caused by dominance of static head over pump head at low solar radiation levels, the application of an intermediate energy storage device – a gravity energy storage unit – is justified. Досліджено ефективність структур електромеханічної системи водопостачання з живленням від джерела відновлюваної енергії в умовах значної частки статичних напорів у загальних втратах напору гідравлічної мережі. У таких випадках, за номінальних параметрів живлення насосного агрегату, енергетичний потенціал джерела відновлюваної енергії не використовується, коли його поточна потужність менша за потрібну споживану потужність насосного агрегату, і використовується частково – коли вона більша. У статті на прикладі системи водопідйому в умовах живлення від фотоелектричних модулів представлено результати порівняльного чисельного дослідження з використанням комплексних математичних моделей системи. Визначено умови доцільного застосування систем водопідйому з регулюванням частоти живлення і проміжними накопичувачами енергії на заміну систем з номінальними параметрами живлення насосного агрегату. Дослідження виконано з урахуванням добової нерівномірності сонячного випромінювання з використанням апроксимаційних залежностей цієї нерівномірності для умов червня і січня. Обґрунтовано імітаційну модель системи водопідйому з апроксимацією напірних характеристик насоса у функції кутової швидкості й подачі і з уточненим моделюванням асинхронного двигуна за малих завантажень. Усталені параметри робочих режимів електромеханічної системи водопідйому визначаються за результатами розв’язку диференціальних рівнянь електричної, механічної та гідравлічної рівноваги до усталеного стану. Визначено оптимальну площу фотоелектричних модулів (сонячних панелей) за критерієм добового максимуму видобутої води за рахунок енергії з одиниці площі панелей. За результатами моделювання усталених режимів системи з варіюванням частоти живлення сформовано залежність зміни продуктивності насосного агрегату у функції потужності джерела відновлюваної енергії, яку використано для порівняльного дослідження трьох варіантів систем: з номінальними параметрами живлення; з варіюванням частоти й напруги; із застосуванням проміжного накопичувача енергії – гравітаційного акумулятора. Показано, що доцільність застосування регулювання частоти й напруги насосного агрегату системи водопідйому з джерелами відновлюваної енергії на заміну стабільних умов промислової мережі збільшується зі зниженням інтенсивності сонячного випромінювання. При цьому приріст добового об’єму видобутої води буде понад 80 %. За обмеження можливостей частотного регулювання, з продуктивної дії системи підйому води, внаслідок перевищення величини статичного напору над напором насоса в умовах значного зниження інтенсивності сонячного випромінювання, обґрунтовано застосування проміжного накопичувача енергії – гравітаційного акумулятора. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2026-03-28 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/611 10.36296/1819-8058.2026.1(84).268-283 Возобновляемая энергетика; № 1(84) (2026): Scientific and applied Journal renewable energy ; 268-283 Відновлювана енергетика; № 1(84) (2026): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 268-283 Vidnovluvana energetika ; No. 1(84) (2026): Scientific and applied Journal renewable energy ; 268-283 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2026.1(84) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/611/522 Copyright (c) 2026 Vidnovluvana energetika |
| spellingShingle | induction motor pumping unit photovoltaic modules frequency control gravity energy storage comprehensive math-ematical model. Popovych , O. EFFICIENCY OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF WATER LIFTING PUMPING SYSTEMS |
| title | EFFICIENCY OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF WATER LIFTING PUMPING SYSTEMS |
| title_alt | ЕФЕКТИВНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ ЕНЕРГІЇ ВІДНОВЛЮВАНИХ ДЖЕРЕЛ ДЛЯ ЕЛЕКТРОЖИВЛЕННЯ НАСОСНИХ УСТАНОВОК ВОДОПІДЙОМУ |
| title_full | EFFICIENCY OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF WATER LIFTING PUMPING SYSTEMS |
| title_fullStr | EFFICIENCY OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF WATER LIFTING PUMPING SYSTEMS |
| title_full_unstemmed | EFFICIENCY OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF WATER LIFTING PUMPING SYSTEMS |
| title_short | EFFICIENCY OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES FOR POWER SUPPLY OF WATER LIFTING PUMPING SYSTEMS |
| title_sort | efficiency of using renewable energy sources for power supply of water lifting pumping systems |
| topic | induction motor pumping unit photovoltaic modules frequency control gravity energy storage comprehensive math-ematical model. |
| topic_facet | induction motor pumping unit photovoltaic modules frequency control gravity energy storage comprehensive math-ematical model. асинхронний двигун насосний агрегат фотоелектричні модулі регулювання частоти гравітаційний акумулятор комплексна математична модель. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/611 |
| work_keys_str_mv | AT popovycho efficiencyofusingrenewableenergysourcesforpowersupplyofwaterliftingpumpingsystems AT popovycho efektivnístʹvikoristannâenergíívídnovlûvanihdžereldlâelektroživlennânasosnihustanovokvodopídjomu |