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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung für einen Pumpen-Gleichstrommotor mit mindestens einer Photozelle zur Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie, mindestens einem elektrischen Energiespeicher und mindestens einem Motorschalter zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Gleichstrommotor.
Es ist vielfach versucht worden, Solarenergie über Solarzellen und Elektromotoren in mechanische Energie umzusetzen. Besondere Bedeutung erlangt dieses Problem bei der Förderung von Brunnenwasser zu Bewässerungszwecken sowie bei der Umwälzung von Wärmeträgerflüssigkeit in Solarkollektoranlagen. Praktikable Lösungen sind bisher nicht bekanntgeworden. Der Grund ist darin zu suchen, dass die Preise der Solarzellen pro Leistungseinheit relativ hoch sind. Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungen, die einen Solarbetrieb von Elektromotoren, insbesondere zum Antrieb von Pumpen, ökonomisch werden lassen. Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass insbesondere im Bereich der'Kleinmotoren der Wirkungsgrad steil mit der Motornennleistung ansteigt.
Das gleiche gilt für Kreiselpumpen, deren Wirkungsgrad ebenfalls mit zunehmender Leistung zunimmt, bei denen darüber hinaus aber auch der erreichbare Förderdruck mit der Leistung zunimmt, so dass erst oberhalb von bestimmbaren Mindestleistungen Förderdrücke, wie sie beispielsweise zur Überwachung des Höhenunterschiedes zwischen einem Brunnenwasserspiegel und dem Niveau des zu bewässernden Feldes benötigt werden, verwirklicht werden können.
Es sind Vorrichtungen bekanntgeworden, bei denen der Strom der die Solarenergie umwandelnden Einrichtungen annähernd konstant ist und von der Spannung des Motors unabhängig ist.
Da der Strom das Dehmoment des Motors bestimmt, eignet sich eine solche Einrichtung wohl für Kolbenpumpen, bei denen der Mengenstrom proportional mit der Drehzahl und diese proportional mit der Spannung ansteigt. Da bei Kreiselpumpen die aufgenommene elektrische Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl ansteigt, eignet sich eine solche Einrichtung für Kreiselpumpen nicht.
Ein weiterer Nachteil solargetriebener Elektromotoren besteht darin, dass Gleichstrommotoren mit Kommutatoren ausgerüstet sind, die betriebsmässig zu Bürstenverschleiss führen. Für Dauerlaufanwendungen sind deshalb Kommutatormotoren grundsätzlich nicht geeignet. Die Erfindung vermeidet alle diese Nachteile dadurch, dass die vom Gleichstrommotor angetriebene Pumpe als Kreiselpumpe ausgebildet ist, dass an die Klemmen des elektrischen Energiespeichers die Serienschaltung der Ankerwicklung des an die Kreiselpumpe als Wärmeaustauscherantrieb gekuppelten Gleichstrommotors und mindestens eines als Motorschalter vorgesehenen Thermoschalters angeschlossen ist und dass bei einem Solarkollektor der eine Thermoschalter durch die Sonneneinstrahlung nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur zur Motorabschaltung dient.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen nachfolgend näher erläutert : Fig. 1 zeigt die Schaltung einer mit Solarenergie betriebenen Bewässerungspumpe ; Fig. 2 zeigt den Kreislauf eines Solarkollektors ; Fig. 3 zeigt eine Schaltelement-Ausbildung, die zusätzlich vor Überladung schützt ; Fig. 4 zeigt eine Schaltelement-Ausbildung, die bei Ladung Parallelschaltung und bei Entladung Reihenschaltung der Akkumulatoren vorsieht ; Fig. 5 zeigt ein Schaltelement, welches die Pumpe bei Sonnenschein periodisch einschaltet ; Fig. 6 zeigt eine weitere Schaltelement-Ausbildung.
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--1-- speisttor --2-- antreibt.
Durch den Eisenkern --5-- der hochohmigen Spule --6-- wird das Schalt- stück --7-- angezogen, solange die Spannung des Akkumulators oberhalb eines vorgegebenen Wer-
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sobald die Magnetkraft des Kerns --5-- unter die Kraft der Feder --8-- absinkt. Das Schaltstück--7--ist danach vom Kern --5-- um einen erheblichen Betrag weiter entfernt, so dass die Wiederzuschaltung des Motors --3-- erst dann erfolgt, wenn eine wesentlich erhöhte Spannung eine ausreichende Ladung des Akkumulators anzeigt. Durch die Dimensionierung der Sonnenzelle --1--, des Akkumulators--2--, des Motors --3-- und des Schaltelements--5, 6,7, 8--kann die relative Einschaltdauer auf jeden beliebigen Wert reduziert werden.
Als vorteilhaft haben sich 2 bis 10% erwiesen. Der dadurch 10- bis 50fach stärkere Motor liegt bei einer Anlage mit einer Dauerleistung von 10 W im Wirkungsgrad viermal so hoch wie ein im Dauerlauf betriebener
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Motor ; der Wirkungsgrad der zugehörigen Kreiselpumpe liegt etwa beim 2, 5fachen Wert. Die zum Betrieb der Pumpe erforderliche kostspielige Solarzellenfläche reduziert sich damit bei gleicher verfügbarer mechanischer Energie und damit bei gleicher innerhalb eines Tages geförderter Wassermenge auf 10% der für Dauerbetrieb erforderlichen Solarzellenfläche. Gleichzeitig erhöht sich die faktische Lebensdauer des Motors, die bei Dauerbetrieb etwa 3000 h beträgt, bei 10% alternativer Einschaltdauer auf 30000 h.
Dies entspricht für sonnenenergiebetriebene Pumpen in sonnenreichen Regionen einer Lebensdauer der Bürsten des Kommutatormotors von etwa 10 Jahren.
Fig. 2 zeigt eine Pumpenanordnung, die zur Umwälzung der Wärmeträgerflüssigkeit von Solarkollektoren dient. Die Bauelemente --1, 2,5, 6,7 und 8-- entsprechen den Bauelementen in Fig. 1.
Der Motor --3--, der die Umwälzpumpe --4-- antreibt, soll jedoch nur dann laufen, wenn eine Umwälzung der Wärmeträgerflüssigkeit durch die Rohrschlangen --20-- im Solarkollektor --28-zum Abtransport der gebildeten Wärme erforderlich ist. Die Pumpe --4-- fördert die Wärmeträgerflüssigkeit aus der Rohrschlange --20-- durch die Rohrleitung --21-- und das Heizelement --22-im Warmwasserbehälter --23-- und durch die Leitung --24-- wieder zurück in die Rohrschlange --20--. Erst dann, wenn der in der Rohrschlange --20-- befindliche Wärmeträger eine ausreichend hohe Temperatur angenommen hat, dehnt sich der Sensor --25a-- aus und schliesst den Kontakt --25--.
Der Motor fördert nunmehr die im kalten Bereich --26-- des Warmwasserbehäl- ters --23-- abgekühlte Wärmetauschflüssigkeit so lange, bis das Innere der Rohrschlange --20-mit abgekühltem Wärmeträger gefüllt ist und den Sensor --25a-- erreicht hat. Nunmehr unterbricht das Schaltstück --25-- die Zuleitung vom Motor --3-- solange, bis der Inhalt der Rohrschlange --20-- erneut durch die Sonnenenergie auf die gewünschte Arbeitstemperatur aufgeheizt wurde.
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übergeht, ist ein weiterer Thermoschalter mit einem Schaltstück --27-- und einem Sensor --27a-- gegen Solareinstrahlung abgeschattet angeordnet, der den Motorstromkreis dann unterbricht, wenn im Warmwasserbehälter --20-- keine weitere Wärme benötigt wird, so dass der Motor --3-- nur dann in Betrieb ist, wenn betriebsmässig Umwälzung erforderlich ist.
Fig. 3 zeigt ein abgewandeltes Schaltelement, welches eine Überladung des Akkumulators - verhindert. Wird beispielsweise über längere Zeit dem Warmwasserbehälter --23-- kein
Warmwasser entnommen, so schaltet der Motor --3-- nicht ein, dementsprechend würde der Akkumu- lator --2-- überladen. Zusätzlich zum Eisenkern --5-- der Spule --6--, dem Schaltstück --7-- und der Feder --8-- weist dieses Schaltelement ein weiteres Schaltstück --30-- mit der Fe- der --31-- auf, welches nur bei Überspannung angezogen wird und den Widerstand --32-- zu- schaltet. Über den Widerstand --32-- wird so viel Leistung vernichtet, wie die Solarzelle erzeugt, so dass ein Überladen unmöglich ist.
Fig. 4 zeigt eine Schaltanordnung, bei der eine kleine Anzahl von in Reihe geschalteten
Solarzellen--1 und la-die parallelgeschalteten Akkumulatoren--2 und 2a--aufladen, solange der Motor --3-- nicht in Betrieb ist. Sobald der Sensor --40--, der gut wärmeleitend mit dem austrittsseitigen Ende der Rohrschlange --20-- verbunden ist, über den isolierten Stab --41-- die Schaltstücke --42, 43 und 44-- in die gezeigte Lage bringt, ist der Motor --3-- mit dem
Akkumulator --2a-- und dem Akkumulator --2-- in Reihe geschaltet. Hiedurch ist es möglich, mit wenigen Solarzellen auszukommen.
Dies wirkt sich auf die Herstellkosten unmittelbar aus, denn Solarzellen mit grossem Strom haben einen geringeren Preis pro Energieeinheit als beispielsWeise 10 Zellen, die jeweils nur 1/10 der Leistung erbringen, in Reihe geschaltet aber die 10fache Spannung besitzen. Für den Motor --3-- anderseits ist es erstrebenswert, mit einer möglichst hohen Spannung zu fahren, da die Kommutierungsverluste bei Motoren für sehr geringe Betriebsspannungen sehr hohe Werte annehmen, da weiterhin die Motorlebensdauer bei Motoren für sehr kleine Spannungen wesentlich geringer ist als für Motoren gleicher Leistung, aber kleinen Strömen und damit höheren Spannungen.
Durch Multiplikation des gezeigten Schaltprinzips lässt sich beispielsweise die Ladung der Akkumulatoren mit nur 5 Solarzellen verwirklichen, während bei der Entladung beispielsweise 25 Akkumulatoren in Reihe geschaltet sind, die eine Spannung von 35 V liefern.
Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemässes Schaltelement, insbesondere für Bewässerungspumpen,
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Wärmekapazität, dass er-der Sonne exponiert-den Schalter erst nach einer vorgegebenen Zeit, z. B. nach 10 min, schliesst. Ein Drehpulssystem --52--, welches mit dem Motor in Reihe geschaltet ist, verschwenkt die Scheibe --53-- in Richtung des Pfeiles 54, sobald der Strom fliesst. Nunmehr kühlt der Solarenergieabsorber --51-- ab und führt zur Kontraktion des Sensors --50a-und damit zur Unterbrechung des Stromes, womit die Scheibe --53-- wieder in die Ausgangslage zurückschwenkt. Der Zyklus beginnt nunmehr aufs Neue.
Fig. 6 zeigt eine ähnliche Ausführung, bei der ein Schalter --60-- von einem Thermofühler --60a-- erst dann geschlossen wird, wenn dieser durch die Einstrahlung der Sonne eine vor-
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gerung der Einschaltung führt. Dieser Messkörper --61-- kann entweder mit dem Thermofühler --60a-- gut wärmeleitend verbunden sein oder aber auch als abblendender Körper zwischen Sonne und Thermofühler --60a-- angeordnet sein. Damit die Oberfläche des Messkörpers im Verhältnis zu seiner thermischen Masse klein bleibt, wird der Messkörper --61-- vorzugsweise als Hohlkörper ausgebildet, der mit einer schmelzbaren Masse, z. B. Wachs oder einer ionogenen Substanz, die bei einer vorgegebenen Temperatur schmilzt, z. B. Hydrogenphosphathydrat, gefüllt ist.
Durch eine derartige Anordnung wird sichergestellt, dass der Motor --3-- nur dann vom Strom durchflos-
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--2-- bereitshat.
Bei alkalischen Akkumulatoren verringert sich die Kapazität mit zunehmender Temperatur.
Beim Blei-Akkumulator nimmt sie mit der Temperatur zu. Als weitere Verbesserung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, die Akkumulatoren mit einem thermischen Speicher, vorzugsweise einem Speicher, der beim Mittelwert zwischen Tag- und Nachttemperatur kristallisiert bzw. schmilzt, in gut wärmeleitenden Kontakt zu bringen. Als Speichermasse eignet sich Natriumsulfatdodekahydrat. An die Stelle von Akkumulatoren können auch Elektrolyt-Kondensatoren treten. Diese eignen sich insbesondere für hohe Leistungen mit entsprechend vielen, in Reihe geschalteten Solarzellen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltanordnung für einen Pumpen-Gleichstrommotor mit mindestens einer Photozelle zur Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie, mindestens einem elektrischen Energiespeicher und mindestens einem Motorschalter zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Gleichstrommotor, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Gleichstrommotor (3) angetriebene Pumpe als Kreiselpumpe (4) ausgebildet ist, dass an die Klemmen des elektrischen Energiespeichers (1, la) die Serienschaltung der Ankerwicklung des an die Kreiselpumpe als Wärmeaustauscherantrieb gekuppelten Gleichstrommotors (3) und mindestens eines als Motorschalter vorgesehenen Thermoschalters (25,27, 40,50, 60) angeschlossen ist und dass bei einem Solarkollektor der eine Thermoschalter (27)
durch die Sonneneinstrahlung nach Erreichen einer vorgegebenen Temperatur zur Motorabschaltung dient.