DE102019127421A1 - Photovoltaically operated reverse osmosis system for the production of drinking water - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage zur Erzeugung von Trinkwasser, die autark betreibbar ist. Die Umkehrosmoseanlage weist ein Photovoltaikanlage zur Erzeugung von gleichstromförmigem Solarstrom, eine Umkehrosmose-Einheit und eine mit Wechselstrom betreibbare Druckpumpe zur Erzeugung des für die Umkehrosmose erforderlichen Drucks auf. Erfindungsgemäß ist zwischen der Druckpumpe und der Photovoltaikanlage ein modifizierter Frequenzrichter eingerichtet, welcher die Eigenschaften eines Inverters und eines Umrichters in sich vereint und den Solarstrom derart konvertiert, dass die mit Wechselstrom betreibbare Druckpumpe dynamisch in Abhängigkeit von der verfügbaren Solarspannungsenergie betreibbar ist.The invention relates to a photovoltaically operated reverse osmosis system for the production of drinking water, which can be operated independently. The reverse osmosis system has a photovoltaic system for generating direct current solar power, a reverse osmosis unit and a pressure pump that can be operated with alternating current for generating the pressure required for reverse osmosis. According to the invention, a modified frequency converter is set up between the pressure pump and the photovoltaic system, which combines the properties of an inverter and a converter and converts the solar power in such a way that the pressure pump that can be operated with alternating current can be operated dynamically depending on the available solar voltage energy.

Description

Die Erfindung betrifft eine photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage zur Erzeugung von Trinkwasser.The invention relates to a photovoltaically operated reverse osmosis system for the production of drinking water.

Trotz des Wasserreichtums unserer Erde besteht vielerorts Trinkwasserknappheit, die zu Krankheiten und Hungernöten in der Bevölkerung führen kann.Despite the abundance of water on earth, there is a shortage of drinking water in many places, which can lead to disease and starvation in the population.

Eine mögliche Abhilfe besteht u.a. darin, Meer- oder Brackwasser zu entsalzen und als aufbereitetes Trinkwasser als Lebensmittel und/oder zur Bewässerung der Agrarflächen bereitzustellen. Eine mögliche Technik zur Entsalzung und Aufbereitung von derartigen Wässern besteht im Einsatz der Umkehrosmose.One possible remedy is to desalinate seawater or brackish water and make it available as treated drinking water for food and / or for irrigation of agricultural areas. One possible technique for desalination and treatment of such water is the use of reverse osmosis.

In der Umkehrosmose wird das aufzubereitende Wasser unter hohem Druck (Umkehrosmosedruck), der höher als der osmotische Druck des aufzubereitenden Wassers ist, durch eine semipermeable Membran gepresst. Neben der Entsalzung ist es ebenso möglich Bakterien und Viren, mineralische Verbindungen wie Kalk oder auch gesundheitsgefährdende oder toxische Substanzen herauszufiltern.In reverse osmosis, the water to be treated is pressed through a semipermeable membrane under high pressure (reverse osmosis pressure), which is higher than the osmotic pressure of the water to be treated. In addition to desalination, it is also possible to filter out bacteria and viruses, mineral compounds such as lime or substances that are hazardous to health or toxic.

Unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit wurden Umkehrosmoseanlage für den genannten Einsatz in Gebieten mit Trinkwasserknappheit entwickelt, die mit Solarstrom betrieben werden können. Bei dem Vorhaben, eine Umkehrosmoseanlage photovoltaisch mit Strom zu versorgen, tritt jedoch das Problem auf, dass Solarstrom als Gleichstrom auftritt und somit handelsübliche asynchrone Motoren mit Solarstrom nicht direkt angetrieben werden können.Under the aspect of sustainability, reverse osmosis systems were developed for the aforementioned use in areas with drinking water scarcity, which can be operated with solar power. In the case of the project to supply a reverse osmosis system photovoltaically with electricity, however, the problem arises that solar power occurs as direct current and thus commercially available asynchronous motors cannot be driven directly with solar power.

Die Gleichstromspannung des Solarstroms macht somit die Verwendung von mit Gleichstrom betreibbaren Bauteilen, wie beispielsweise Pumpen mit Gleichstrommotoren erforderlich, die kostenintensiver und zudem auch störungsanfälliger sind.The direct current voltage of the solar power therefore requires the use of components that can be operated with direct current, such as pumps with direct current motors, which are more costly and also more prone to failure.

Wenn Gleichstrommotoren nicht zur Verfügung stehen, ist es alternativ möglich, die Solarenergie in mindestens drei Batteriestrings zu speichern und den in den Batteriestrings gespeicherten gleichförmigen Batteriestroms über drei Inverter in eine dreiphasige Wechselspannung zu konvertieren. Dadurch können zwar die kostengünstigeren Asynchronmotoren eingesetzt werden, allerdings stellen der Anschaffungspreis und die Wartungsintensität von batteriebasierten Speichersystemen diesem Vorteil entgegen.If DC motors are not available, it is alternatively possible to store the solar energy in at least three battery strings and to convert the uniform battery current stored in the battery strings into a three-phase AC voltage via three inverters. As a result, the more cost-effective asynchronous motors can be used, but the purchase price and the maintenance intensity of battery-based storage systems counteract this advantage.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe bestand darin, den benannten Nachteilen von autark betreibbaren Umkehrosmoseanlagen abzuhelfen.The object on which the invention is based was to remedy the named disadvantages of reverse osmosis systems that can be operated independently.

Die Aufgabe wird mit dem Aufbau einer Umkehrosmoseanlage gelöst, die als Inselanlage autark vom örtlichen Stromnetz und dem Einsatz von Batterien ist.The task is solved with the construction of a reverse osmosis system, which as an island system is self-sufficient from the local power grid and the use of batteries.

Die Umkehrosmoseanlage weist ein Photovoltaikanlage zur Erzeugung von gleichstromförmigem Solarstrom, eine Umkehrosmose-Einheit und eine mit Wechselstrom betreibbare Druckpumpe mit einem asynchronen Motor zur Erzeugung des für die Umkehrosmose erforderlichen Drucks auf.The reverse osmosis system has a photovoltaic system for generating direct current solar power, a reverse osmosis unit and an alternating current operated pressure pump with an asynchronous motor for generating the pressure required for reverse osmosis.

Die Umkehrosmoseanlage zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Druckpumpe und der Photovoltaikanlage ein modifizierter Frequenzrichter eingerichtet ist, welcher die Eigenschaften eines Inverters und eines Umrichters in sich vereint und den Solarstrom derart konvertiert, dass die mit Wechselstrom betreibbare Druckpumpe, insbesondere deren asynchroner Motor, dynamisch in Abhängigkeit von der verfügbaren Solarspannungsenergie betreibbar ist.The reverse osmosis system is characterized in that a modified frequency converter is set up between the pressure pump and the photovoltaic system, which combines the properties of an inverter and a converter and converts the solar power in such a way that the pressure pump, in particular its asynchronous motor, can be operated dynamically can be operated depending on the available solar voltage energy.

„Dynamisch betreibbar‟ bedeutet, dass der asynchrone Motor in Abhängigkeit von der Intensität der Sonneneinstrahlung und damit in Abhängigkeit von der temporär verfügbaren Solarenergie bzw. Solarspannungsenergie betrieben wird. Die vom asynchronen Motor erzeugte Leistung singt oder steigt mit der momentanen Energieerzeugung der Photovoltaikanlage.“Dynamically operable” means that the asynchronous motor is operated depending on the intensity of the solar radiation and thus depending on the temporarily available solar energy or solar voltage energy. The power generated by the asynchronous motor sings or increases with the current power generation of the photovoltaic system.

Für die Entsalzung und Reinigung von Meer- oder Brackwasser, denen hohe osmotische Drücken zu eigen sind, ist die Druckpumpe eine Hochdruckpumpe, mit welcher ein Umkehrosmosedruck von 3 bis 90 bar, insbesondere von 15 bis 60 bar erzeugt werden kann.For the desalination and purification of sea or brackish water, which have high osmotic pressures, the pressure pump is a high pressure pump with which a reverse osmosis pressure of 3 to 90 bar, in particular 15 to 60 bar, can be generated.

In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Umkehrosmoseanlage wird die Frequenz des asynchronen Motors der anlageninternen Druckpumpe in Abhängigkeit von der durch die Photovoltaikanlage bereitgestellten Solarenergie, deren verfügbare Menge direkt von der Intensität der Sonneneinstrahlung abhängig ist, durch den modifizierten Frequenzumrichter angepasst, so dass die erfindungsgemäße Umkehrosmoseanlage ohne Batterien und den Einsatz von Gleichstrommotoren auskommt.In a preferred embodiment of the reverse osmosis system according to the invention, the frequency of the asynchronous motor of the system-internal pressure pump is adapted by the modified frequency converter as a function of the solar energy provided by the photovoltaic system, the available amount of which is directly dependent on the intensity of the solar radiation, so that the reverse osmosis system according to the invention without Batteries and the use of DC motors.

In einer weiteren Ausgestaltung verfügt der modifizierte Frequenzrichter über die technische Eigenschaft, gleichzeitig

  • • den einphasigen Gleichstrom der Photovoltaikanlage in dreiphasigen Wechselstrom zu konvertieren sowie
  • • die erzeugte dreiphasige Wechselspannung in eine in der Frequenz und Amplitude unterschiedliche Wechselspannung umzuwandeln.
In a further embodiment, the modified frequency converter has the technical property of simultaneously
  • • to convert the single-phase direct current from the photovoltaic system into three-phase alternating current and
  • • to convert the generated three-phase alternating voltage into an alternating voltage of different frequency and amplitude.

Der modifizierte Frequenzumrichter unterscheidet sich mindestens in seinen nachstehend benannten technischen Merkmalen von handelsüblichen Frequenzumrichtern. Die folgenden Modifikationen können einzeln oder in Kombination vorhanden sein:

  • • Die mittels der Photovoltaik-Anlage erzeugte Solarspannung ist an dem Zwischenkreis des modifizierten Frequenzumrichters derart eingespannt, dass die aus Wechselstrom Gleichstrom erzeugende Diodenspannung des modifizierten Frequenzumrichter überbrückt ist,
und/oder
  • • die durch den modifizierten Frequenzumrichter erzeugbare Spannungsumwandlung ist für einen definierten Frequenzbereich Hzmin ≤ Hzx ≤ Hzmax festgelegt. (mit Hzmin = minimale Frequenz; Hzx = variable Ist-Frequenz; Hzmax =maximale Frequenz).
The modified frequency converter differs from commercially available frequency converters at least in the technical features listed below. The following modifications can be present individually or in combination:
  • • The solar voltage generated by the photovoltaic system is clamped to the intermediate circuit of the modified frequency converter in such a way that the diode voltage of the modified frequency converter, which is generated from alternating current, is bridged,
and or
  • • the voltage conversion that can be generated by the modified frequency converter is specified for a defined frequency range Hz min ≤ Hz x ≤ Hz max. (with Hz min = minimum frequency; Hz x = variable actual frequency; Hz max = maximum frequency).

Für die Bereitstellung eines modifizierten Frequenzrichters kann auch auf einen handelsüblichen Frequenzumrichter zurückgegriffen werden, der entsprechend der vorgegebenen erfindungsgemäßen technischen Merkmale modifiziert wird.To provide a modified frequency converter, a commercially available frequency converter can also be used, which is modified in accordance with the specified technical features according to the invention.

Um der Bevölkerung aufbereitetes Trinkwasser auch in Zeiten mit nur geringer Sonnenintensität bereitstellen zu können, umfasst die erfindungsgemäße Umkehrosmoseanlage einen Wassertank zur Speicherung des durch die Umkehrosmoseanlage erzeugten Trinkwassers.In order to be able to provide the population with prepared drinking water even at times with only low solar intensity, the reverse osmosis system according to the invention comprises a water tank for storing the drinking water generated by the reverse osmosis system.

In vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Umkehrosmoseanlage sind alle hydraulischen Verbindungen der Umkehrosmoseanlage verschraubbar ausgestaltet, so dass für den Auf- und Abbau der Umkehrosmoseanlage beispielsweise nur Schraubendreher oder Maulschlüssel benötigt werden. Die Erforderlichkeit von lediglich einfachen Werkzeugen bietet Vorteile darin, dass die Umkehrosmoseanlage in Falle eines Defektes einfach und kostengünstig repariert werden kann oder aber auch in kurzer Zeit örtlich versetzt werden könnte, insofern dies erforderlich ist. Insbesondere auf Schweißen kann dann verzichtet werden.In advantageous refinements of the reverse osmosis system according to the invention, all hydraulic connections of the reverse osmosis system are designed to be screwable, so that only screwdrivers or open-end wrenches are required for setting up and dismantling the reverse osmosis system, for example. The necessity of only simple tools offers advantages in that the reverse osmosis system can be repaired easily and inexpensively in the event of a defect, or it could also be relocated in a short time if this is necessary. In particular, welding can then be dispensed with.

Für eine hohe Wetter- und Witterungsbeständigkeit sind die metallischen Bauteile der Umkehrosmoseanlage vorzugsweise aus einem entsprechenden Edelstahl gefertigt.For high weather and weather resistance, the metallic components of the reverse osmosis system are preferably made of a suitable stainless steel.

Claims (10)

Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage zur Erzeugung von Trinkwasser, die autark betreibbar ist, aufweisend - ein Photovoltaikanlage zur Erzeugung von gleichstromförmigem Solarstrom, - eine Umkehrosmose-Einheit und - eine mit Wechselstrom betreibbare Druckpumpe mit einem asynchronen Motor zur Erzeugung des für die Umkehrosmose erforderlichen Drucks, wobei zwischen der Druckpumpe und der Photovoltaikanlage ein modifizierter Frequenzrichter eingerichtet ist, welcher die Eigenschaften eines Inverters und eines Umrichters in sich vereint und den Solarstrom in derart konvertiert, dass der asynchrone Motor der mit Wechselstrom betreibbaren Druckpumpe dynamisch in Abhängigkeit von der verfügbaren Solarspannungsenergie betreibbar ist.Photovoltaically operated reverse osmosis system for the production of drinking water, which can be operated independently - a photovoltaic system for the generation of direct current solar power, - a reverse osmosis unit and - a pressure pump that can be operated with alternating current and has an asynchronous motor to generate the pressure required for reverse osmosis, a modified frequency converter being set up between the pressure pump and the photovoltaic system, which combines the properties of an inverter and a converter and converts the solar power into such a way, that the asynchronous motor of the pressure pump that can be operated with alternating current can be operated dynamically as a function of the available solar voltage energy. Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der modifizierte Frequenzrichter gleichzeitig den einphasigen Gleichstrom der Photovoltaikanlage in dreiphasigen Wechselstrom konvertiert und die erzeugte dreiphasige Wechselspannung in eine in der Frequenz und Amplitude unterschiedliche Wechselspannung umwandelt.Photovoltaically operated reverse osmosis system according to Claim 1 , characterized in that the modified frequency converter simultaneously converts the single-phase direct current of the photovoltaic system into three-phase alternating current and converts the generated three-phase alternating voltage into an alternating voltage with a different frequency and amplitude. Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den modifizierten Frequenzumrichter erzeugbare Spannungsumwandlung für eine definierten Frequenzbereich Hzmin ≤ Hzx ≤ Hzmax festlegbar ist.Photovoltaically operated reverse osmosis system according to Claim 2 , characterized in that the voltage conversion that can be generated by the modified frequency converter can be determined for a defined frequency range Hz min ≤ Hz x ≤ Hz max . Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der Photovoltaik-Anlage erzeugte Solarspannung an dem Zwischenkreis des modifizierten Frequenzumrichters derart eingespannt ist, dass die aus Wechselstrom Gleichstrom erzeugende Diodenspannung überbrückt ist.Photovoltaically operated reverse osmosis system according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the solar voltage generated by the photovoltaic system is clamped to the intermediate circuit of the modified frequency converter in such a way that the diode voltage generated from alternating current direct current is bridged. Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des asynchronen Motors der Druckpumpe in Abhängigkeit von der durch die Photovoltaikanlage bereitgestellten Solarenergie, deren verfügbare Menge von der Intensität der Sonneneinstrahlung abhängig ist, durch den modifizierten Frequenzumrichter anpassbar ist.Photovoltaically operated reverse osmosis system according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the frequency of the asynchronous motor of the pressure pump can be adjusted by the modified frequency converter as a function of the solar energy provided by the photovoltaic system, the available amount of which is dependent on the intensity of the solar radiation. Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit der mit Wechselstrom betreibbaren Druckpumpe einen Umkehrosmosedruck von 3 bis 90 bar, insbesondere von 15 bis 60 bar erzeugbar ist.Photovoltaically operated reverse osmosis system according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that a reverse osmosis pressure of 3 to 90 bar, in particular 15 to 60 bar, can be generated with the pressure pump which can be operated with alternating current. Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die alle hydraulischen Verbindungen der Umkehrosmoseanlage verschraubbar sind.Photovoltaically operated reverse osmosis system according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that all hydraulic connections of the reverse osmosis system can be screwed. Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wassertank zur Speicherung des durch die Umkehrosmoseanlage erzeugte Trinkwasser eingerichtet ist.Photovoltaically operated reverse osmosis system according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that a water tank is set up to store the drinking water generated by the reverse osmosis system. Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle metallischen Bauteile der Umkehrosmoseanlage aus Edelstahl gefertigt sind.Photovoltaically operated reverse osmosis system according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that all metallic components of the reverse osmosis system are made of stainless steel. Photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaisch betriebene Umkehrosmoseanlage eine Inselanlage ist.Photovoltaically operated reverse osmosis system according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the photovoltaically operated reverse osmosis system is an island system.
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