DE102019129348A1 - Anlage zur Aufbereitung von Wasser und Verfahren dazu - Google Patents

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Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser mittels Umkehrosmose. Die Anlage umfasst ein Solarmodul, eine Osmoseeinheit, eine Hochdruckpumpe zur Bereitstellung eines den osmotischen Druck in der Osmoseeinheit übersteigenden Hochdrucks (P2) mit einem Hochdruckpumpenmotor zum Antrieb der Hochdruckpumpe, ein Ventil zum Anpassen des in der Osmoseeinheit bereitgestellten Hochdrucks (P2), und eine zwischen dem Solarmodul und dem Hochdruckpumpenmotor angeordnete elektrische Verbindungseinrichtung. Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Verbindungseinrichtung eine Gleichspannungsleitung, einen Solarregler, über welchen die elektrische Verbindungseinrichtung mit dem Solarmodul verbunden ist, und einen Hochdruckpumpenwechselrichter, welcher über die Gleichspannungsleitung mit dem Solarregler verbunden ist und über welchen die elektrische Verbindungseinrichtung mit dem Hochdruckpumpenmotor verbunden ist. Die Anlage und/oder die elektrische Verbindungseinrichtung umfasst eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist zur Steuerung einer Drehzahl der Hochdruckpumpe derart angepasst, dass die Drehzahl der Hochdruckpumpe ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten änderbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Aufbereitung von Wasser mittels Umkehrosmose mit einem Solarstromerzeuger. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anlage zur Entsalzung und/oder Reinigung von Wasser. Die Anlage ist also insbesondere eine Entsalzungsanlage. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Anlage und ein ablauffähiges Programm zum Durchführen des Verfahrens.
  • Die internationale Anmeldung WO2017/002022 A1 beschreibt eine Anlage zur Entsalzung von Wasser mittels Umkehrosmose. Dabei wird der durch einen Solarstromerzeuger erzeugte Strom zunächst zur Einspeisung in ein Netz mittels eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt. Dieser Wechselstrom wird zur Versorgung einer Hochdruckpumpe durch einen Frequenzumrichter in einen Wechselstrom mit einer für den Motor der Hochdruckpumpe geeigneten Frequenz umgewandelt.
  • Die deutsche Offenlegungsschrift DE 198 50 565 A1 beschreibt eine durch eine Windkraftanlage betriebene Meerwasserentsalzungsanlage, die wiederum mit Umkehrosmose arbeitet. Dabei sind mehrere Membranen parallel geschalten angeordnet. Eine Anpassung an variierende Leistungen der Windkraftanlage erfolgt durch selektives Abschalten oder Zuschalten einzelner Membranen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll eine Anlage zur Aufbereitung von Wasser mittels Umkehrosmose bereitgestellt werden, die einfach aufgebaut ist und effektiv Wasser aufbereitet. Weiterhin soll ein einfaches und effektives Verfahren zur Steuerung einer solchen Anlage und ein ablauffähiges Programm zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Anlage gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1, durch ein Verfahren gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 13 sowie durch ein ablauffähiges Programm gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 22 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dazu jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Anlage ein Solarmodul, eine Osmoseeinheit, eine Hochdruckpumpe zur Bereitstellung eines den osmotischen Druck in der Osmoseeinheit übersteigenden Hochdrucks P2 mit einem Hochdruckpumpenmotor zum Antrieb der Hochdruckpumpe, ein Ventil zum Anpassen des in der Osmoseeinheit bereitgestellten Hochdrucks P2, und eine zwischen dem Solarmodul und dem Hochdruckpumpenmotor angeordnete elektrische Verbindungseinrichtung.
  • Im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann die Anlage ein einzelnes Solarmodul oder mehrere Solarmodule umfassen. Insbesondere kann die Anlage eine Solarstromanlage umfassen, welche das Solarmodul oder die mehreren Solarmodule aufweist. Die Solarstromanlage kann auch als Solargenerator, Photovoltaikanlage bzw. PV-Anlage bezeichnet werden. Die Solarstromanlage ist vorzugsweise eine netz-autarke Solarstromanlage, das heißt eine Inselanlage. Dadurch kann die Anlage zur Aufbereitung von Wasser vorteilhafterweise insbesondere in entlegenen Gegenden eingesetzt werden, in denen kein Anschluss an das Stromnetz gegeben ist.
  • Die Osmoseeinheit dient dazu, Wasser zu reinigen und/oder zu entsalzen. Die Osmoseeinheit umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Membranen, beispielsweise vier Membranen. Die Membranen können parallel oder in Serie geschaltet angeordnet sein. Die Membranen sind vorzugsweise semipermeabel, das heißt sie lassen ein Hindurchtreten von Wasser zu, hindern aber ein Hindurchtreten von Verunreinigungen, insbesondere von Giftstoffen und/oder Salz.
  • Vorteilhafterweise ist der Salzgehalt des durch die Osmoseeinheit aufbereiteten Wassers wesentlich geringer als der ursprüngliche Salzgehalt des aufzubereitenden Wassers, das auch Speisewasser genannt wird. Das zugeführte Speisewasser ist beispielsweise dem Meer entnommenes Salzwasser mit einem Salzgehalt von 32.000 ppm. Das aufbereitete Wasser, das auch Frischwasser genannt werden kann, ist vorzugsweise Trinkwasser und weist beispielsweise einen Salzgehalt von 300 bis 900 ppm auf. Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Anlage bei einem Salzgehalt des aufbereiteten Wassers von über 1.200 ppm abgeschaltet wird. Die Membranen weisen vorzugsweise jeweils einen Durchmesser von 6 bis 25 cm, beispielsweise von 6,35 cm, das heißt 2,5", oder von 20,35 cm, das heißt 8", und eine Länge von beispielsweise 101,6 cm, das heißt 40", auf. Die aktive Oberfläche der Membranen liegt vorzugsweise bei 2 bis 50 m2, besonders bevorzugt bei 2,6 bis 40,9 m2. Das zugeführte Speisewasser wird in der Osmoseeinheit in zwei getrennte Ströme aufgeteilt, Permeat und Retentat. Mit Permeat wird das erzeugte Frischwasser bezeichnet. Als Retentat fällt eine hochkonzentrierte Salzlösung an der Osmoseeinheit als Abfallprodukt an. Das Retentat kann entsorgt werden, es kann beispielsweise in das Meer zurückgeführt werden. Das Retentat kann aber auch einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Es kann beispielsweise einer Produktion von Salz, insbesondere von Speisesalz, zugeführt werden.
  • Der Hochdruckpumpenmotor ist ein Elektromotor zum Antrieb der Hochdruckpumpe. Der Hochdruckpumpenmotor ist vorzugsweise mit Wechselstrom und/oder Drehstrom, das heißt mit Dreiphasenwechselstrom, betreibbar. Besonders bevorzugt ist der Hochdruckpumpenmotor ein Drehstrom-Asynchronmotor. Die Hochdruckpumpe ist vorzugsweise eine Kolbenpumpe. Die Hochdruckpumpe kann vorzugsweise einen Druck von bis zu 150 bar bei Leistungen von 2,2 bis 15 kW erzeugen. Die Hochdruckpumpe ist vorzugsweise dazu geeignet, einen hohen Druck, der im Sinne dieser Anmeldung als Hochdruck P2 bezeichnet wird, zu erzeugen. Damit eine Umkehrosmose erfolgen kann, hat der in der Osmoseeinheit bereitgestellte Hochdruck P2 größer zu sein als der osmotische Druck des aufzubereitenden Wassers, das insbesondere dem Meer entnommenes Salzwasser ist. Vorzugsweise ist der Hochdruck P2 etwa doppelt so groß wie der osmotische Druck des aufzubereitenden Wassers. Der osmotische Druck des Salzwassers beträgt beispielsweise bei einem Salzgehalt von 32.000 ppm 24,8 bar. Der Hochdruck P2 liegt vorzugsweise zwischen 30 und 60 bar, besonders bevorzugt zwischen 44 bar und 49 bar.
  • Der in der Osmoseeinheit bereitgestellte Hochdruck P2 kann mittels der Hochdruckpumpe und/oder mittels des Ventils angepasst werden, insbesondere durch geeignetes Anpassen der Drehzahl der Hochdruckpumpe und/oder durch geeignetes Anpassen des Querschnitts des Ventils. Vorzugsweise wird das Ventil, insbesondere der Querschnitt des Ventils, in Abhängigkeit von der Drehzahl der Hochdruckpumpe eingestellt.
  • Der in der Osmoseeinheit bereitgestellte Hochdruck P2 wird vorzugsweise durch Öffnen und/oder Schließen des Ventils anpasst. Das Öffnen und/oder Schließen des Ventils kann dabei schrittweise oder kontinuierliche erfolgen. Insbesondere kann der Hochdruck P2 durch Schließen, insbesondere durch schrittweises oder kontinuierliches Schließen, des Ventils erhöht und durch Öffnen, insbesondere durch schrittweises oder kontinuierliches Öffnen, des Ventils verringert werden. Das Ventil kann elektrisch und/oder mechanisch steuerbar sein. Das Ventil ist vorzugsweise ein Proportionalventil oder ein elektrisch betriebenes Stellventil. Weiterhin kann das Ventil beispielsweise ein Vordruckregelventil oder ein Überstromventil sein.
  • Eine elektrische Verbindungseinrichtung kann insbesondere unmittelbar zwischen dem Solarmodul und dem Hochdruckpumpenmotor angeordnet sein, um diese untereinander zu verbinden.
  • Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Verbindungseinrichtung eine Gleichspannungsleitung, einen Solarregler und einen Hochdruckpumpenwechselrichter.
  • Die elektrische Verbindungseinrichtung ist über den Solarregler mit dem Solarmodul verbunden. Vorzugsweise ist die elektrische Verbindungseinrichtung über den Solarregler direkt mit dem Solarmodul verbunden. Beim Solarregler kann es sich beispielsweise um einen Maximum-Power-Point-Tracker (MPP-Tracker) oder einen PWM-Regler handeln. Der Aufbau und die Funktionsweise eines MPP-Trackers bzw. eines PWM-Reglers sind dem Fachmann bekannt. Der Solarregler ist dazu ausgestaltet, eine durch das Solarmodul bereitgestellte Spannung an eine Spannung der Gleichspannungsleitung anzupassen.
  • Vorzugsweise umfasst die elektrische Verbindungseinrichtung genau einen dem Hochdruckpumpenmotor und/oder der Hochdruckpumpe zugeordneten Hochdruckpumpenwechselrichter. Vorzugsweise ist also genau ein Hochdruckpumpenwechselrichter dem Hochdruckpumpenmotor und/oder der Hochdruckpumpe zugeordnet.
  • Der Hochdruckpumpenwechselrichter ist vorzugsweise dazu vorgesehen, einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln, insbesondere in einen Dreiphasenwechselstrom, das heißt in einen Drehstrom.
  • Der Hochdruckpumpenwechselrichter ist über die Gleichspannungsleitung mit dem Solarregler verbunden. Die elektrische Verbindungseinrichtung ist über den Hochdruckpumpenwechselrichter mit dem Hochdruckpumpenmotor verbunden. Vorzugsweise ist die elektrische Verbindungseinrichtung über den Hochdruckpumpenwechselrichter direkt mit dem Hochdruckpumpenmotor verbunden.
  • Die Anlage und/oder die elektrische Verbindungseinrichtung umfasst eine Steuereinrichtung. Die Anlage und/oder die elektrische Verbindungseinrichtung kann zusätzliche Hardware zur Messung und/oder Überwachung der auftretenden Ströme und/oder Spannungen aufweisen.
  • Die Steuereinrichtung ist zur Steuerung einer Drehzahl der Hochdruckpumpe derart angepasst, dass die Drehzahl der Hochdruckpumpe ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten änderbar ist. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung zur Steuerung einer Drehzahl der Hochdruckpumpe derart angepasst, dass die Drehzahl der Hochdruckpumpe ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten Schrittweite jeweils unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten erhöhbar und/oder verringerbar ist.
  • Über die Drehzahl der Hochdruckpumpe kann die von der Hochdruckpumpe aufgebrachte Leistung und/oder der von der Hochdruckpumpe erzeugte Druck gesteuert werden.
  • Die Drehzahl der Hochdruckpumpe ist dabei vorzugsweise direkt proportional zur Frequenz des Hochdruckpumpenmotors.
  • Der Begriff Mindestzeitdauer bedeutet dabei, dass eine tatsächliche Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten auch länger als die Mindestzeitdauer sein kann.
  • Die vorbestimmte Mindestzeitdauer kann unterschiedlich bemessen sein, je nachdem, ob die Drehzahl der Hochdruckpumpe erhöht oder verringert wird. Es kann sich also eine vorbestimmte Mindestzeitdauer auf das Erhöhen der Drehzahl der Hochdruckpumpe und eine davon verschiedene vorbestimmte Mindestzeitdauer auf das Verringern der Drehzahl der Hochdruckpumpe beziehen. Vorzugsweise ist die vorbestimmte Mindestzeitdauer im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Hochdruckpumpe kleiner als im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Hochdruckpumpe.
  • Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zur Steuerung einer Anlage zur Aufbereitung von Wasser mittels Umkehrosmose beansprucht. Bei der Aufbereitung handelt es sich vorzugsweise um die Entsalzung und/oder Reinigung des Wassers. Das Verfahren ist insbesondere auf die Herstellung von Trinkwasser gerichtet. Es wird insbesondere ein Verfahren zur Steuerung einer erfindungsgemäßen Anlage beansprucht. Die in dieser Beschreibung für die Anlage beschriebenen Merkmale können ebenso auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden und umgekehrt.
  • Erfindungsgemäß führt die Steuereinrichtung den folgenden Schritt durch: Steuern der Drehzahl der Hochdruckpumpe, wobei die Drehzahl der Hochdruckpumpe ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten geändert wird. Vorzugsweise kann die Drehzahl der Hochdruckpumpe ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten erhöht und/oder verringert werden. Die weiteren im Hinblick auf die erfindungsgemäße Anlage beschriebenen vorteilhaften Merkmale können ebenso beim erfindungsgemäßen Verfahren verwirklicht werden.
  • Insbesondere kann die vorbestimmte Mindestzeitdauer unterschiedlich bemessen sein, je nachdem, ob die Drehzahl der Hochdruckpumpe erhöht oder verringert wird. Es kann sich also eine vorbestimmte Mindestzeitdauer auf das Erhöhen der Drehzahl der Hochdruckpumpe und eine davon verschiedene vorbestimmte Mindestzeitdauer auf das Verringern der Drehzahl der Hochdruckpumpe beziehen. Vorzugsweise ist die vorbestimmte Mindestzeitdauer im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Hochdruckpumpe kleiner als im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Hochdruckpumpe.
  • Die Steuereinrichtung kann durch das Solarmodul und/oder durch einen weiter unten beschriebenen Superkondensator mit Energie versorgt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung durch eine Batterie, z.B. durch eine Autobatterie oder vorzugsweise zwei Autobatterien zum Bereitstellen von 24 V versorgt werden. Die Batterie, Autobatterie und/oder die zwei Autobatterien werden vorzugsweise über das Solarmodul aufgeladen.
  • Der Solarregler ist vorzugsweise dazu ausgestaltet, die während des Betriebs am Solarmodul anliegende Spannung jederzeit so anzupassen, dass eine an der Gleichspannungsleitung anliegende Spannung VDC in einem vorbestimmten Spannungsbereich liegt. Der vorbestimmte Spannungsbereich reicht beispielsweise von 200 bis 1000 V, vorzugsweise von 500 V bis 650 V, besonders bevorzugt von 550 V bis 650 V. Vorzugsweise umfasst die Gleichspannungsleitung einen Zwischenkreiskondensator genannten Kondensator zum Glätten und Stabilisieren der Spannung der Gleichspannungsleitung. Der Solarregler ist also vorzugsweise dazu ausgestaltet, die während des Betriebs am Solarmodul anliegende Spannung jederzeit so anzupassen, dass der Zwischenkreiskondensator in dem vorbestimmten Spannungsbereich liegt. Der Zwischenkreiskondensator kann beispielsweise ein Elektrolytkondensator oder vorzugsweise ein Folienkondensator sein. Der Zwischenkreiskondensator weist vorzugsweise eine Kapazität zwischen 0,2 mF und 10 mF, besonders bevorzugt zwischen 1 mF und 2 mF, und/oder eine Spannungsfestigkeit von 200 V bis 1200 V, besonders bevorzugt von 1100 V bis 1200 V, auf. Die an der Gleichspannungsleitung anliegende Spannung VDC wird vorzugsweise am Zwischenkreiskondensator gemessen.
  • Die erfindungsgemäße Anlage ist einfach aufgebaut. Vorteilhafterweise ist zum Betreiben der Hochdruckpumpe nur eine Umwandlung von Gleichstrom in Dreiphasenwechselstrom erforderlich. Dadurch kann mit der erfindungsgemäßen Anlage und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren effektiv Wasser aufbereitet werden. Es entstehen dabei nur geringe Energieverluste, vorzugsweise kleiner als 6 %. Durch das lediglich schrittweise Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe wird die einzelne Membran oder werden die mehreren Membranen vor Beschädigungen geschützt. Weiterhin ist es vorteilhafterweise nicht erforderlich, Energie elektrochemisch zu speichern. Insbesondere können kostenintensive und umweltschädliche Batterien eingespart werden. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Anlage modular aufgebaut werden und dabei skalierbar sein, das heißt ihre Größe kann den gegebenen Bedürfnissen angepasst werden. Die erfindungsgemäße Anlage kann unabhängig vom Vorhandensein eines Stromnetzes betrieben werden und ist daher auch für unerschlossene und/oder entlegene Gebiete geeignet. Die erfindungsgemäße Anlage bzw. das erfindungsgemäße Verfahren sind also besonders energieeffizient, günstig, flexibel einsetzbar und umweltfreundlich. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Hochdruckpumpe die vorbestimmte Mindestzeitdauer eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 5 s bis 10 min. Insbesondere beträgt die vorbestimmte Mindestzeitdauer 5 s, vorzugsweise 10 s beträgt. In einem weiteren Beispiel beträgt die vorbestimmte Mindestzeitdauer 20 s.
  • Durch das Vorsehen einer derart bemessenen vorbestimmten Mindestzeitdauer wird die einzelne Membran oder werden die mehreren Membranen beim Erhöhen der Drehzahl der Hochdruckpumpe besonders gut vor Beschädigungen geschützt.
  • Die vorbestimmte Mindestzeitdauer ist im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Hochdruckpumpe vorzugsweise kleiner als im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Hochdruckpumpe.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Hochdruckpumpe die vorbestimmte Mindestzeitdauer eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 1 s bis 10 s. Insbesondere kann die vorbestimmte Mindestzeitdauer im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Hochdruckpumpe 1 s, vorzugsweise 2 s betragen. In einem weiteren Beispiel beträgt die vorbestimmte Mindestzeitdauer im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Hochdruckpumpe 5 s.
  • Durch das Vorsehen einer derart bemessenen vorbestimmten Mindestzeitdauer wird die einzelne Membran oder werden die mehreren Membranen beim Verringern der Drehzahl der Hochdruckpumpe besonders gut vor Beschädigungen geschützt. Zusätzlich wird eine hinreichend schnelle Reaktion auf eine verschlechterte Leistungsabgabe des Solarmoduls ermöglicht. Dadurch kann vermieden werden, dass die am Zwischenkreiskondensator anliegende Spannung zu stark absinkt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die vorbestimmte Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe ein fester Wert zwischen 15 Umdrehungen pro Minute und 90 Umdrehungen pro Minute. Vorzugsweise beträgt die vorbestimmte Schrittweite 30 Umdrehungen pro Minute. Entsprechend ist die vorbestimmte Schrittweite für das Ändern der Frequenz des Hochdruckpumpenmotors vorzugsweise ein fester Wert zwischen 0,5 Hz und 3 Hz, beispielsweise 1 Hz.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anlage zusätzlich eine Förderpumpe mit einem Förderpumpenmotor zu deren Antrieb. Der Förderpumpenmotor ist ebenfalls über die elektrische Verbindungseinrichtung mit dem Solarmodul verbunden. Die elektrische Verbindungseinrichtung umfasst einen Förderpumpenwechselrichter, welcher über die Gleichspannungsleitung mit dem Solarregler verbunden ist und über welchen die elektrische Verbindungseinrichtung mit dem Förderpumpenmotor verbunden ist. Vorzugsweise ist die elektrische Verbindungseinrichtung über den Förderpumpenwechselrichter direkt mit dem Förderpumpenmotor verbunden.
  • Vorzugsweise umfasst die elektrische Verbindungseinrichtung genau einen dem Förderpumpenmotor und/oder der Förderpumpe zugeordneten Förderpumpenwechselrichter. Vorzugsweise ist also genau ein Förderpumpenwechselrichter dem Förderpumpenmotor und/oder der Förderpumpe zugeordnet. Die Förderpumpe ist beispielsweise eine Zentrifugalpumpe, insbesondere eine ein- oder mehrstufige Zentrifugalpumpe. Die Förderpumpe ist vorzugsweise stromaufwärts vor der Hochdruckpumpe vorgesehen und stellt einen Eingangsdruck P1 für die Hochdruckpumpe bereit. Der Eingangsdruck P1 wird vorzugsweise so angepasst, dass er zwischen einem Minimalwert P1min, und einem Maximalwert P1max liegt. Der Eingangsdruck P1 liegt beispielsweise bei etwa 2 bar. Der minimale Eingangsdruck P1min, ist vorzugsweise ein fester Wert zwischen 1,3 bar und 1,5 bar. Der maximale Eingangsdruck Pmax ist vorzugsweise ein fester Wert zwischen 2,5 bar und 3,5 bar.
  • Außerdem kann die Anlage eine oder mehrere weitere Pumpen umfassen, z.B. eine Brunnenpumpe zur Bereitstellung von Wasser beispielsweise aus einem Meer oder aus einem Brunnen.
  • Jede Pumpe, das heißt die Hochdruckpumpe, die Förderpumpe und/oder die weitere Pumpe oder die weiteren Pumpen, weist jeweils einen Motor auf, dem jeweils ein Wechselrichter, vorzugsweise jeweils genau ein Wechselrichter, zugeordnet ist. Der jeweilige Motor, das heißt der Hochdruckpumpenmotor, der Förderpumpenmotor und/oder der weitere Motor oder die weiteren Motoren, ist mit Wechselstrom und/oder Drehstrom, das heißt mit Dreiphasenwechselstrom, betreibbar. Besonders bevorzugt ist der jeweilige Motor ein Drehstrom-Asynchronmotor. Beim jeweiligen Wechselrichter handelt es sich um den Hochdruckpumpenwechselrichter, den Förderpumpenwechselrichter und/oder den weiteren Wechselrichter oder die weiteren Wechselrichter. Für jede Pumpe ist also vorzugsweise genau ein Wechselrichter in der elektrischen Verbindungseinrichtung vorgesehen. Mit dem jeweiligen Wechselrichter ist die jeweilige Pumpe bzw. der jeweilige Motor über die elektrische Verbindungseinrichtung mit dem Solarmodul verbunden. Vorteilhafterweise ist für die jede Pumpe also jeweils nur eine Umwandlung von Gleichstrom in Dreiphasenwechselstrom erforderlich.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung zur Steuerung einer Drehzahl der Förderpumpe derart angepasst, dass die Drehzahl der Förderpumpe ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten weiteren Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten weiteren Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten änderbar ist. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung zur Steuerung einer Drehzahl der Förderpumpe derart angepasst, dass die Drehzahl der Förderpumpe ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten weiteren Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten weiteren Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten erhöhbar und/oder verringerbar ist.
  • Die Drehzahl der Förderpumpe ist dabei vorzugsweise direkt proportional zur Frequenz des Förderpumpenmotors.
  • Unter der weiteren Mindestzeitdauer ist wiederum zu verstehen, dass eine tatsächliche Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten auch länger als die weitere Mindestzeitdauer sein kann.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Drehzahl der Förderpumpe ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten weiteren Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten weiteren Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten geändert. Vorzugsweise wird die Drehzahl der Förderpumpe ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten weiteren Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten weiteren Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten erhöht und/oder verringert.
  • Die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer kann unterschiedlich bemessen sein, je nachdem, ob die Drehzahl der Förderpumpe erhöht oder verringert wird. Es kann sich also eine vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer auf das Erhöhen der Drehzahl der Förderpumpe und eine davon verschiedene vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer auf das Verringern der Drehzahl der Förderpumpe beziehen. Vorzugsweise ist die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Förderpumpe kleiner als im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Förderpumpe.
  • Durch das lediglich schrittweise Ändern der Drehzahl der Förderpumpe, insbesondere durch das lediglich schrittweise Erhöhen der Drehzahl der Förderpumpe, wird das Auftreten einer Kavitation am Eingang der Hochdruckpumpe verhindert. Dadurch wird die Hochdruckpumpe vor möglichen Beschädigungen geschützt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage ist die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer identisch der vorbestimmten Mindestzeitdauer und die Steuereinrichtung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe nicht gleichzeitig mit dem Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe erfolgt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer identisch der vorbestimmten Mindestzeitdauer. Die Drehzahl der Förderpumpe und die Drehzahl der Hochdruckpumpe werden vorzugsweise nicht gleichzeitig geändert.
  • Vorzugsweise erfolgt das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe zeitlich versetzt zum Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe. Es kann also zu einem konkreten Zeitpunkt vorzugsweise entweder ein Ändern der Drehzahl der Förderpumpe oder ein Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe erfolgen. Vorzugsweise entscheidet die Steuereinrichtung, ob zu einem konkreten Zeitpunkt die Drehzahl der Förderpumpe oder die Drehzahl der Hochdruckpumpe geändert wird oder keine Änderung erfolgt.
  • Im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Förderpumpe ist die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer vorzugsweise eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 5 s bis 10 min. Insbesondere kann die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Förderpumpe 5 s, vorzugsweise 10 s betragen. In einem weiteren Beispiel beträgt die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer 20 s.
  • Die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer ist im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Förderpumpe vorzugsweise kleiner als im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Förderpumpe.
  • Im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Förderpumpe ist die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer vorzugsweise eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 1 s bis 10 s. Insbesondere kann die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Förderpumpe 1 s, vorzugsweise 2 s, betragen. In einem weiteren Beispiel beträgt die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer 5 s.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die vorbestimmte weitere Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe größer ist als die vorbestimmte Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe. Vorzugsweise ist die vorbestimmte weitere Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe ein fester Wert zwischen 90 Umdrehungen pro Minute und 300 Umdrehungen pro Minute. Besonders bevorzugt beträgt die vorbestimmte weitere Schrittweite 150 Umdrehungen pro Minute. Entsprechend ist die vorbestimmte weitere Schrittweite für das Ändern der Frequenz des Förderpumpenmotors vorzugsweise ein fester Wert zwischen 3 Hz und 10 Hz, beispielsweise 5 Hz. wobei die vorbestimmte weitere Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe vorzugsweise größer ist als die vorbestimmte Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe, wobei die vorbestimmte weitere Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe vorzugsweise ein fester Wert zwischen 90 Umdrehungen pro Minute und 300 Umdrehungen pro Minute (Frequenz des Förderpumpenmotors Schrittweite zwischen 3 Hz und 10 Hz) ist, besonders bevorzugt 150 Umdrehungen pro Minute (Frequenz des Förderpumpenmotors Schrittweite vorzugsweise 5 Hz) beträgt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuereinrichtung einen Mikroprozessor und/oder einen Speicher und/oder eine Schnittstelle und/oder eine Bedieneinrichtung.
  • Die Steuereinrichtung, insbesondere der Mikroprozessor, steuert vorzugsweise die gesamte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Steuereinrichtung, insbesondere der Mikroprozessor, misst, überwacht und/oder steuert beispielsweise die Drehzahl der Hochdruckpumpe und/oder der Förderpumpe, den Eingangsdruck P1, den Hochdruck P2, den Öffnungszustand des Ventils, die Durchflussrate des aufzubereitenden und/oder des aufbereiteten Wassers, den Salzgehalt des aufzubereitenden und/oder des aufbereiteten Wassers, den Zustand des 3/2-Wegeventils und/oder die Leerlaufspannung des Solarmoduls. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung, insbesondere der Mikroprozessor, vorzugsweise den Solarregler, den Hochdruckpumpenwechselrichter, Förderpumpenwechselrichter, und/oder den oder die weiteren Wechselrichter.
  • Vorzugsweise kann die Steuereinrichtung den Hochdruckpumpenwechselrichter, Förderpumpenwechselrichter, und/oder den oder die weiteren Wechselrichter umfassen. Insbesondere können die Steuereinrichtung oder Teile der Steuereinrichtung zusammen mit dem Hochdruckpumpenwechselrichter, dem Förderpumpenwechselrichter, und/oder dem weiteren Wechselrichter oder den weiteren Wechselrichtern in einem Steuerschrank aufgenommen sein und/oder ein Steuermodul bilden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung in den Hochdruckpumpenwechselrichter integriert und/oder der Hochdruckpumpenwechselrichter als Steuereinrichtung ausgebildet.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung in den Förderpumpenwechselrichter, und/oder in den oder in die weiteren Wechselrichter integriert sein und/oder der Förderpumpenwechselrichter, und/oder der oder die weiteren Wechselrichter als Steuereinrichtung ausgebildet sein. Insbesondere der Mikroprozessor kann in den Hochdruckpumpenwechselrichter und/oder den Förderpumpenwechselrichter und/oder den oder die weiteren Wechselrichter integriert sein.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung über eine Steuerleitung mit dem Hochdruckpumpenwechselrichter verbunden. Die Steuerleitung ist vorzugsweise ein Datenbus. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung über die Steuerleitung ebenfalls mit dem Förderpumpenwechselrichter und/oder dem weiteren Wechselrichter oder den weiteren Wechselrichtern verbunden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die elektrische Verbindungseinrichtung einen Superkondensator, welcher mittels eines Gleichspannungswandlers zwischen den Solarregler und den Hochdruckpumpenwechselrichter geschalten ist. Vorzugsweise ist der Superkondensator ebenfalls zwischen den Solarregler und den Förderpumpenwechselrichter und/oder den oder die weiteren Wechselrichter geschalten. Die Kapazität des Superkondensators liegt vorzugsweise zwischen 0,5 F und 20 F, besonders bevorzugt zwischen 1 F und 10 F, beispielsweise bei 3,8 F oder bei 5 F. Vorzugsweise wird der Superkondensator mit einer Spannung zwischen 40 V und 1000 V, vorzugsweise 100 V bis 650 V, besonders bevorzugt 100 V bis 400 V beaufschlagt. Der Superkondensator bewirkt vorteilhafterweise ein Glätten und/oder Puffern der Gleichspannung. Dadurch kann ein Leistungseinbruch abgefedert werden, das heißt bei einer verschlechterten Leistungsabgabe des Solarmoduls beispielsweise bei aufziehender Bewölkung kann sich die Nutzungsdauer der Anlage verlängern. Weiterhin ist das Vorhandensein eines Superkondensators vorteilhaft beim Herunterfahren der Anlage beispielsweise bei einem Gewitter. Der Superkondensator kann dabei eine Restenergie für ein kontrolliertes Herunterfahren der Anlage und/oder Spülen der Membran oder der Membranen bereitstellen. Der Superkondensator ermöglicht dadurch auch das Vorsehen einer kleineren Schrittweite in der Regelung der Hochdruckpumpe und/oder der Förderpumpe. Daher trägt der Superkondensator zu einem Schutz der Osmoseeinheit und insbesondere der darin vorgesehenen Membran oder Membranen bei.
  • Durch Vorsehen eines Superkondensator kann Wasser besonders effektiv aufbereitet werden. Es entstehen dabei nur geringe Energieverluste. Vorzugsweise entstehen am Solarregler, am Superkondensator und an den Wechselrichtern jeweils nur 2 % Energieverluste, so dass die Anlage insgesamt 6 % Energieverluste aufweist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren zum Starten der Anlage, beispielsweise am Morgen und/oder nach einem Gewitter, die folgenden Schritte:
    • • Erfassen der Leerlaufspannung des Solarmoduls,
    • • Vergleichen der Leerlaufspannung mit einem vorbestimmten Schwellwert, der vorzugsweise ein fester Wert in einem Bereich zwischen 300 V bis 400 V ist und beispielsweise 350 V beträgt, und bei Überschreiten des vorbestimmten Schwellwert:
    • • Anfahren der Förderpumpe auf eine vorbestimmte Förderpum penm inimaldrehzahl,
    • • Anfahren der Hochdruckpumpe auf eine vorbestimmte Hochdruckpumpenm inimaldrehzahl,
    • • Bestimmen eines an der Osmoseeinheit bereitgestellten Hochdrucks P2 mittels eines Hochdrucksensors,
    • • Schließen des Ventils bis zum Erreichen eines einen vorbestimmten minimalen Hochdruck P2min übersteigenden Hochdrucks P2.
  • Die Leerlaufspannung wird vorzugsweise durch die Steuereinrichtung erfasst. Die Steuereinrichtung kann dazu durch das Solarmodul und/oder durch den Superkondensator mit Energie versorgt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung dazu durch eine Batterie, z.B. durch eine Autobatterie oder vorzugsweise zwei Autobatterien für 24 V versorgt werden. Die Batterie, Autobatterie und/oder zwei Autobatterien werden vorzugsweise über das Solarmodul aufgeladen.
  • Die vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl ist vorzugsweise die für den Betrieb der Anlage minimal zulässige Drehzahl der Förderpumpe. Die Förderpumpe wird zum Schutz der Anlage, insbesondere zum Schutz derHochdruckpumpe , vorzugsweise nicht mit geringerer Drehzahl betrieben. Genauer gesagt kann dadurch eine durch einen zu niedrigen Eingangsdruck hervorgerufene Kavitation am Eingang der Hochdruckpumpe vermieden werden. Die vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl ist vorzugsweise ein fester Wert zwischen 750 und 1050 Umdrehungen pro Minute und beträgt besonders bevorzugt 900 Umdrehungen pro Minute. Entsprechend ist die für den Betrieb der Anlage minimale Frequenz des Förderpumpenmotors vorzugsweise ein fester Wert zwischen 25 - 35 Hz und beträgt besonders bevorzugt 30 Hz.
  • Die vorbestimmte Hochdruckpumpenminimaldrehzahl ist vorzugsweise die für den Betrieb der Anlage minimal zulässige Drehzahl der Hochdruckpumpe. Die Hochdruckpumpe wird zum Schutz der Anlage, insbesondere zum Schutz der Osmoseeinheit und/oder zum Schutz der darin vorgesehenen einen einzigen Membran oder mehreren Membranen, vorzugsweise nicht mit geringerer Drehzahl betrieben. Die vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl kann identisch zur vorbestimmten Hochdruckpumpenminimaldrehzahl sein. Die vorbestimmte Hochdruckpumpenminimaldrehzahl ist vorzugsweise ein fester Wert zwischen 750 bis 1050 Umdrehungen pro Minute und beträgt besonders bevorzugt 900 Umdrehungen pro Minute. Entsprechend ist die für den Betrieb der Anlage minimale Frequenz des Hochdruckpumpenmotors vorzugsweise ein fester Wert zwischen 25 - 35 Hz und beträgt besonders bevorzugt 30 Hz. Alternativ dazu kann sich die vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl von der vorbestimmten Hochdruckpumpenminimaldrehzahl unterscheiden.
  • Das Anfahren der Hochdruckpumpe auf eine vorbestimmte Hochdruckpumpenminimaldrehzahl erfolgt vorzugsweise erst nach dem Erreichen der vorbestimmten Förderpumpenminimaldrehzahl durch die Förderpumpe. Alternativ dazu kann das Anfahren der Hochdruckpumpe synchron zum Anfahren der Förderpumpe erfolgen.
  • Das Ventil kann ein mechanisch oder elektronisch steuerbares Ventil sein. Das Öffnen und/oder Schließen des Ventils zum Steuern des Hochdrucks P2 kann schrittweise oder kontinuierlich erfolgen.
  • Nach Durchlaufen der genannten Schritte des Verfahrens zum Starten der Anlage wird ein Ausgeben von aufbereitetem Wasser, das ein Ausgeben von Frischwasser, insbesondere Trinkwasser, begonnen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird, insbesondere bei maximaler Leistung der Anlage, der folgende Schritt durchgeführt wird:
    • • Regeln der Leistung des Solarmoduls, so dass die Spannung der Gleichspannungsleitung in einem Bereich von 200 bis 1000 V, vorzugsweise in einem Bereich von 500 V bis 650 V, besonders bevorzugt in einem Bereich von 550 V bis 650 V liegt.
  • Das Regeln der Leistung des Solarmoduls erfolgt vorzugsweise durch den Solarregler, welcher insbesondere als Maximum-Power-Point-Tracker (MPP-Tracker) ausgestaltet ist. Die Spannung der Gleichspannungsleitung ist vorzugsweise die Versorgungsspannung für den Hochdruckpumpenwechselrichter und/oder den Förderpumpenwechselrichter und/oder den weiteren oder die weiteren Wechselrichter. Die Spannung der Gleichspannungsleitung wird vorzugsweise am Zwischenkreiskondensator gemessen.
  • Sofern trotz maximaler Leistung der Anlage nicht die vollständige durch das Solarmodul erzeugbare Energie durch die Anlage, insbesondere durch die Hochdruckpumpe und die Förderpumpe, abgenommen wird, wird das Solarmodul vorzugsweise nicht in Leistungsanpassung, das heißt außerhalb des Maximum-Power-Points (MPP), betrieben.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die folgenden Schritte durchgeführt:
    • • Bestimmen eines an einem Eingang der Hochdruckpumpe bereitgestellten Eingangsdrucks P1 mittels eines Eingangsdrucksensors und/oder Bestimmen des an der Osmoseeinheit bereitgestellten Hochdrucks P2 mittels des Hochdrucksensors,
    • • Einstellen des Eingangsdrucks P1 und/oder des Hochdrucks P2 durch Schließen oder Öffnen des Ventils und/oder durch schrittweises Ändern der Drehzahl der Förderpumpe und/oder durch schrittweises Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe, insbesondere durch Ändern des Verhältnisses der Drehzahlen der Förderpumpe und der Hochdruckpumpe.
  • Das Schließen oder Öffnen des Ventils zum Einstellen des Hochdrucks P2 kann schrittweise oder kontinuierlich erfolgen.
  • Das das schrittweise Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe erfolgt erfindungsgemäß ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten. Das schrittweise Ändern der Drehzahl der Förderpumpe erfolgt erfindungsgemäß ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten weiteren Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten weiteren Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten.
  • Das Ändern des Verhältnisses der Drehzahlen der Förderpumpe und der Hochdruckpumpe erfolgt vorzugsweise durch schrittweises Erhöhen oder schrittweises Verringern der Drehzahl der Förderpumpe und/oder der Drehzahl der Hochdruckpumpe.
  • Insbesondere kann der am Eingang der Hochdruckpumpe bereitgestellte Eingangsdrucks P1 mit dem Verhältnis der Drehzahlen von Hochdruckpumpe und Förderpumpe geändert werden. Der Eingangsdrucks P1 erhöht sich bei einer Erhöhung der Drehzahl der Förderpumpe und/oder bei einer Verringerung der Drehzahl der Hochdruckpumpe. Der Eingangsdrucks P1 verringert sich bei einer Verringerung der Drehzahl der Förderpumpe und/oder bei einer Erhöhung der Drehzahl der Hochdruckpumpe. Der an der Osmoseeinheit bereitgestellte Hochdruck P2 wird vorzugsweise durch Öffnen und/oder Schließen des Ventils anpasst. Das Öffnen und/oder Schließen des Ventils kann dabei schrittweise oder kontinuierliche erfolgen. Insbesondere kann der Hochdruck P2 durch Schließen, insbesondere durch schrittweises oder kontinuierliches Schließen, des Ventils erhöht und durch Öffnen, insbesondere durch schrittweises oder kontinuierliches Öffnen, des Ventils verringert werden.
  • Weiterhin kann sich eine beispielsweise beim Anpassen des Eingangsdrucks P1 vorgenommene Veränderung der Drehzahl der Hochdruckpumpe auf den Hochdruck P2 auswirken. Daher wird vorzugsweise nach einem durch eine Veränderung der Drehzahl der Hochdruckpumpe erfolgten Anpassen des Eingangsdrucks P1 der Hochdruck P2 durch ein schrittweises oder kontinuierliches Öffnen und/oder Schließen des Ventils angepasst. Wird beispielsweise der Eingangsdrucks P1 durch Verringerung der Drehzahl der Hochdruckpumpe erhöht, verringert sich als eine weitere Folge der Hochdruck P2. In diesem Fall wird dieser Verringerung des Hochdrucks P2 vorzugsweise durch ein schrittweises oder kontinuierliches Schließen des Ventils gegengesteuert, so dass der Hochdruck P2 vorzugsweise konstant oder im Wesentlichen konstant bleibt. Wird beispielsweise der Eingangsdrucks P1 durch Erhöhen der Drehzahl der Hochdruckpumpe verringert, erhöht sich als eine weitere Folge der Hochdruck P2. Solange sich der Hochdruck P2 im Bereich zwischen dem vorbestimmten minimalen Hochdruck P2min und dem vorbestimmten maximalen Hochdruck P2max befindet, kann diese Erhöhung des Hochdrucks P2 gewünscht sein, da bei einem erhöhten Hochdruck P2 vorteilhafterweise die Produktionsrate an ausgegebenem aufbereitetem Wasser steigt. Unter der Produktionsrate wird das pro Zeiteinheit aufbereitete Wasservolumen verstanden.
  • Bei einem erhöhten Hochdruck P2 kann alternativ dazu, insbesondere bei einem Überschreiten des vorbestimmten maximalen Hochdrucks P2max, dieser Erhöhung des Hochdrucks P2 durch ein schrittweises oder kontinuierliches Öffnen des Ventils gegengesteuert werden, so dass der Hochdruck P2 vorzugsweise konstant oder im Wesentlichen konstant bleibt. Durch das schrittweise oder kontinuierliche Öffnen des Ventils kann der an der Osmoseeinheit anliegende Druck verringert werden. Dadurch kann also sichergestellt werden, dass der an der Membran oder an den Membranen bereitgestellte Hochdruck P2 zwischen dem vorbestimmten minimalen Hochdruck P2min und dem vorbestimmten maximalen Hochdruck P2max bleibt. Eine an der Osmoseeinheit als Retentat anfallende hochkonzentrierte Salzlösung kann durch das schrittweise oder kontinuierliche Öffnen des Ventils effizienter abgeführt werden. Dadurch kann ein in der Osmoseeinheit vorherrschender Salzgehalt gesenkt werden und infolgedessen die Qualität des ausgegebenen aufbereiteten Wassers verbessert werden. Durch das schrittweise oder kontinuierliche Öffnen des Ventils kann also sichergestellt werden, dass die Qualität des aufbereiteten Wassers in einem optimalen Bereich bleibt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt, sofern eine an der Gleichspannungsleitung anliegende Gleichspannung größer als eine vorbestimmte maximale Gleichspannung ist, insbesondere wenn keine Leistungsanpassung vorliegt, das heißt wenn das Solarmodul außerhalb des Maximum-Power-Points (MPP) betrieben wird, ein schrittweises Annähern an die maximale Leistung der Anlage durch die folgenden Schritte:
    • • Bestimmen des an einem Eingang der Hochdruckpumpe bereitgestellten Eingangsdrucks P1 mittels des Eingangsdrucksensors und vorzugsweise Bestimmen des an der Osmoseeinheit bereitgestellten Hochdrucks P2 mittels des Hochdrucksensors,
    • • Schrittweises Erhöhen der Drehzahl der Hochdruckpumpe, wenn der am Eingang der Hochdruckpumpe bereitgestellte Eingangsdruck P1 größer ist als ein vorbestimmter minimaler Eingangsdruck P1min, und/oder schrittweises Erhöhen der Drehzahl der Förderpumpe, wenn der am Eingang der Hochdruckpumpe bereitgestellte Eingangsdruck P1 kleiner ist als der vorbestimmte minimale Eingangsdruck P1min, und
    • • vorzugsweise Einstellen des Hochdrucks P2 durch Schließen oder Öffnen des Ventils.
  • Das schrittweise Erhöhen der Drehzahl der Förderpumpe und/oder das schrittweise Erhöhen der Drehzahl der Hochdruckpumpe erfolgt wie oben beschrieben unter Einhaltung der vorbestimmten Mindestzeitdauer bzw. unter Einhaltung der vorbestimmten weiteren Mindestzeitdauer. Die vorbestimmte Mindestzeitdauer bzw. die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer ist im Fall des Erhöhens der Drehzahl vorzugsweise eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 5 s bis 10 min. Insbesondere beträgt die vorbestimmte Mindestzeitdauer bzw. die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer im Fall des Erhöhens der Drehzahl 5 s, vorzugsweise 10 s. In einem weiteren Beispiel beträgt die vorbestimmte Mindestzeitdauer bzw. die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer im Fall des Erhöhens der Drehzahl 20 s.
  • Das Schließen oder Öffnen des Ventils zum vorzugsweisen Einstellen des Hochdrucks P2 kann schrittweise oder kontinuierlich erfolgen.
  • Die genannten Schritte haben das Ziel die Drehzahl der Pumpen, das heißt die Drehzahl der Hochdruckpumpe und/oder die Drehzahl der Förderpumpe, schrittweise zu erhöhen. Eine Erhöhung der Drehzahl der Pumpen wirkt sich vorteilhaft auf das Verfahren aus. Die Erhöhung der Drehzahl der Förderpumpe stabilisiert vorteilhafterweise das Verfahren, wirkt insbesondere einer Kavitation entgegen. Eine Erhöhung der Drehzahl der Hochdruckpumpe kann eine Erhöhung des Hochdrucks P2 und infolgedessen eine Erhöhung der Produktionsrate und/oder der Qualität des ausgegebenen aufbereiteten Wassers bewirken. Unter der Produktionsrate wird das pro Zeiteinheit aufbereitete Wasservolumen verstanden.
  • Wenn der am Eingang der Hochdruckpumpe bereitgestellte Eingangsdruck P1 größer ist als ein vorbestimmter minimaler Eingangsdruck P1min, erfolgt vorzugsweise ein Erhöhen der Drehzahl der Hochdruckpumpe und daran anschließend ein Anpassen des an der Osmoseeinheit bereitgestellten Hochdrucks P2 durch ein schrittweises oder kontinuierliches Öffnen des Ventils. Durch das schrittweise oder kontinuierliche Öffnen des Ventils kann eine an der Osmoseeinheit als Retentat anfallende hochkonzentrierte Salzlösung effizienter abgeführt werden. Dadurch kann ein in der Osmoseeinheit vorherrschender Salzgehalt gesenkt werden und infolgedessen die Qualität des ausgegebenen aufbereiteten Wassers verbessert werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt, sofern Leistungsanpassung vorliegt, das heißt wenn das Solarmodul insbesondere bereits am Maximum-Power-Point (MPP) betrieben wird, und die Leistung des Solarmoduls abnimmt, eine schrittweise Reduktion der Leistung der Anlage durch die folgenden Schritte:
    • • Bestimmen des am Eingang der Hochdruckpumpe bereitgestellten Eingangsdrucks P1 mittels des Eingangsdrucksensors,
    • • Schrittweises Verringern der Drehzahl der Förderpumpe und/oder schrittweises Verringern der Drehzahl der der Hochdruckpumpe, um den Eingangsdruck P1 an einen vorbestimmten maximalen Eingangsdruck P1max anzunähern.
  • Wie beschrieben ist das Abnehmen der Leistung des Solarmoduls Voraussetzung für das Durchführen der genannten Schritte zur schrittweisen Reduktion der Leistung der Anlage. Vorzugsweise wird das Abnehmen der Leistung des Solarmoduls festgestellt, wenn die Spannung der Gleichspannungsleitung einen Schwellwert unterschreitet. Dieser Schwellwert ist vorzugsweise die untere Grenze des oben beschriebenen Spannungsbereichs, das heißt der Schwellwert ist beispielsweise 200 V, vorzugsweise 500 V, besonders bevorzugt 550 V.
  • Wenn der Eingangsdruck P1 größer ist als ein vorbestimmter maximaler Eingangsdruck P1max, erfolgt vorzugsweise ein Verringern der Drehzahl der Förderpumpe. Wenn der Eingangsdruck P1 kleiner ist als der vorbestimmte maximale Eingangsdruck P1max, erfolgt vorzugsweise ein Verringern der Drehzahl der Hochdruckpumpe und, vorzugsweise daran anschließend, ein Anpassen des an der Osmoseeinheit bereitgestellten Hochdrucks P2 durch ein schrittweises oder kontinuierliches Schließen des Ventils. Dadurch kann vorteilhafterweise der Hochdruck P2 zwischen dem vorbestimmten minimalen Hochdruck P2min und dem vorbestimmten maximalen Hochdruck P2max gehalten werden.
  • Das schrittweise Verringern der Drehzahl der Förderpumpe und/oder das schrittweise Verringern der Drehzahl der Hochdruckpumpe erfolgt wie oben beschrieben unter Einhaltung der vorbestimmten Mindestzeitdauer bzw. unter Einhaltung der vorbestimmten weiteren Mindestzeitdauer. Die vorbestimmte Mindestzeitdauer bzw. die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer ist im Fall des Verringerns der Drehzahl vorzugsweise eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 1 s bis 10 s, und beträgt insbesondere 1 s. In weiteren Beispielen beträgt die vorbestimmte Mindestzeitdauer bzw. die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer im Fall des Verringerns der Drehzahl 2 s oder 5 s.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren zum Herunterfahren der Anlage die folgenden Schritte:
    • • Erfassen der Drehzahl der Hochdruckpumpe und/oder der Drehzahl der Förderpumpe,
    • • Vergleichen der Drehzahl der Hochdruckpumpe mit der vorbestimmten Hochdruckpumpenminimaldrehzahl und/oder Vergleichen der Drehzahl der Förderpumpe mit der vorbestimmten Förderpumpenminimaldrehzahl,
    • • Vollständiges Öffnen des Ventils,
    • • Abschalten der Hochdruckpumpe und/oder Abschalten der Förderpumpe,
    • • Spülen der in der Osmoseeinheit vorgesehenen Membran oder Membranen mit sauberem Wasser,
    • • Abschalten der Anlage.
  • Vorzugsweise erfolgen die Schritte Vollständiges Öffnen des Ventils, Abschalten der Hochdruckpumpe und/oder Abschalten der Förderpumpe, Spülen der Membran oder Membranen mit sauberem Wasser, und Abschalten der Anlage, sofern die vorbestimmte Hochdruckpumpenminimaldrehzahl und/oder die Förderpumpenminimaldrehzahl unterschritten ist.
  • Das vollständige Öffnen des Ventils kann kontinuierlich oder schrittweise erfolgen. Vorzugsweise wird das Ventil schrittweise oder kontinuierlich unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestöffnungsdauer vollständig geöffnet. Unter der Mindestöffnungsdauer wird eine Zeitdauer verstanden, die beim vollständigen Öffnen des Ventils mindestens zu verstreichen hat. Dadurch werden schnelle Druckschwankungen an der Membran oder an den Membranen vermieden. Das schrittweise Öffnen bewirkt also vorteilhafterweise einen Schutz der Membran oder der Membranen vor Beschädigungen.
  • Als Folge der Schritte Vollständiges Öffnens des Ventils und/oder Abschalten der Hochdruckpumpe und/oder Abschalten der Förderpumpe wird die Ausgabe von aufbereitetem Wasser gestoppt.
  • Zum Spülen der in der Osmoseeinheit vorgesehenen Membran oder Membranen mit sauberem Wasser pumpt vorzugsweise die Förderpumpe aufbereitetes Wasser, das heißt Frischwasser, durch die Osmoseeinheit. Die Förderpumpe wird dazu vorzugsweise mit einer Frequenz von 40 Hz betrieben. Vorzugsweise ist in der Anlage ein 3/2-Wegeventil vorgesehen, damit die Förderpumpe je nach Stellung des 3/2-Wegeventil mit aufzubereitendem Wasser, das heißt Speisewasser, oder mit aufbereitetem Wasser, das heißt Frischwasser, verbunden werden kann. Durch das Spülen kann vorteilhafterweise verhindert werden, dass sich die Membran oder die Membranen zusetzen und beispielsweise mit Salz verkrusten. Durch das Spülen wird also ein erneutes Anfahren der Anlage begünstigt.
  • Zum Spülen der in der Osmoseeinheit vorgesehenen Membran oder Membranen mit sauberem Wasser wird vorzugsweise genügend Restenergie vorgehalten. Die Restenergie kann beispielsweise durch den Superkondensator bereitgestellt werden.
  • Nach dem Abschalten der Anlage wird vorzugsweise die Leerlaufspannung des Solarmoduls erfasst, um ein erneutes Starten bei ausreichender Leerlaufspannung durchführen zu können. Die Leerlaufspannung wird wie bereits beschrieben vorzugsweise durch die Steuereinrichtung erfasst. Die Steuereinrichtung kann dazu durch das Solarmodul und/oder durch den Superkondensator mit Energie versorgt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung dazu durch eine Batterie, z.B. durch eine Autobatterie oder vorzugsweise zwei Autobatterien zum Bereitstellen von 24 V versorgt werden. Die Batterie, Autobatterie und/oder die zwei Autobatterien werden vorzugsweise über das Solarmodul aufgeladen.
  • Erfindungsgemäß ist weiterhin ein ablauffähiges Programm zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, wobei das Programm auf dem Speicher der Steuereinrichtung gespeichert ist.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
    • 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage,
    • 2 einen schematischen Schaltplan zur Darstellung der elektrischen Verbindungseinrichtung,
    • 3 einen weiteren schematischen Schaltplan,
    • 4 mehrere Flussdiagramme bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens, im Einzelnen:
    • 4a ein einen Übergang von einem Ruhemodus zu einem Starten der Anlage beschreibendes Flussdiagramm,
    • 4b ein das Starten der Anlage beschreibendes Flussdiagramm,
    • 4c ein die Überwachung eines normalen Betriebszustands der Anlage beschreibendes Flussdiagramm,
    • 4d ein das Herunterfahren der Anlage beschreibendes Flussdiagramm,
    • 5 eine Auftragung des Volumens an produziertem aufbereitetem Wasser pro Stunde und der Leistung des Solarmoduls jeweils gegenüber der Tageszeit.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage zur Aufbereitung von Wasser mittels Umkehrosmose. Im konkreten Beispiel handelt es sich um eine Entsalzungsanlage, welche Salzwasser 1, insbesondere Meerwasser, das beispielweise in einem Salzwassertank aufgenommen ist, mittels eines Leitungssystems 2 über eine Förderpumpe 3 und eine Hochdruckpumpe 4 durch eine Osmoseeinheit 5 fördert und dabei Frischwasser 6, das beispielweise in einem Frischwassertank aufgenommen wird, erzeugt.
  • Das Salzwasser 1 weist beispielsweise einen Salzgehalt von 32.000 ppm auf. Das Frischwasser 6 ist vorzugsweise Trinkwasser und weist beispielsweise einen Salzgehalt von 300 bis 900 ppm auf.
  • Die Förderpumpe 3 ist beispielsweise eine Zentrifugalpumpe, insbesondere eine ein- oder mehrstufige Zentrifugalpumpe. Die Förderpumpe 3 ist stromaufwärts vor der Hochdruckpumpe 4 im Leitungssystem 2 vorgesehen und stellt einen Eingangsdruck P1 für die Hochdruckpumpe 4 bereit. Der Eingangsdruck P1 liegt beispielsweise bei etwa 2 bar. Die Hochdruckpumpe 4 ist beispielsweise eine Kolbenpumpe. Die Hochdruckpumpe 4 ist dazu geeignet, einen hohen Druck, welcher fortan als Hochdruck P2 bezeichnet wird, zu erzeugen. Damit eine Umkehrosmose erfolgen kann, hat der Hochdruck P2 größer zu sein als der osmotische Druck des Salzwassers 1. Vorzugsweise ist der Hochdruck P2 etwa doppelt so groß wie der osmotische Druck des Salzwassers 1. Der osmotische Druck des Salzwassers 1 beträgt beispielsweise bei einem Salzgehalt von 32.000 ppm 24,8 bar. Der Hochdruck P2 liegt vorzugsweise zwischen 44 bar und 49 bar.
  • Das zugeführte Salzwasser 1 wird in der Osmoseeinheit 5 in zwei getrennte Ströme aufgeteilt, Permeat und Retentat. Mit Permeat wird das erzeugte Frischwasser 6 bezeichnet. Als Retentat fällt eine hochkonzentrierte Salzlösung an der Osmoseeinheit 5 an.
  • Die Osmoseeinheit 5 umfasst im konkreten Beispiel der 1 vier Membranen 5a, 5b, 5c, 5d. Die Membranen 5a, 5b, 5c, 5d sind jeweils zylinderförmig ausgebildet und jeweils in einer Druckröhre aufgenommen. Beispielsweise sind die Membranen 5a, 5b, 5c, 5d vom Typ TFC-Spiral und weisen einen Durchmesser von 2,5", das heißt 6,35 cm, und eine Länge von 40", das heißt 101,6 cm, auf. Die Membranen 5a, 5b, 5c, 5d sind in Serie geschaltet. Dabei wird das an der ersten Membran 5a anfallende Retentat der zweiten Membran 5b zugeleitet, das an der zweiten Membran 5b anfallende Retentat der dritten Membran 5c zugeleitet, und das an der dritten Membran 5c anfallende Retentat der vierten Membran 5d zugeleitet. Das Retentat der vierten Membran 5d bildet zugleich das Retentat der Osmoseeinheit 5. Das Retentat der vierten Membran 5d hat daher einen höheren Salzgehalt als das Retentat der dritten Membran 5c. Das Retentat der dritten Membran 5c hat einen höheren Salzgehalt als das Retentat der zweiten Membran 5b. Das Retentat der zweiten Membran 5b hat einen höheren Salzgehalt als das Retentat der ersten Membran 5a. Das Permeat von jeder der Membranen 5a, 5b, 5c, 5d wird direkt abgeführt. Ebenso steigt der Salzgehalt des Permeats von der ersten 5a bis zur vierten Membran 5d jeweils an. Das Permeat der einzelnen Membranen 5a, 5b, 5c, 5d wird zusammengeführt, so dass am Ausgang der Osmoseeinheit 5 ein mittlerer Salzgehalt resultiert. Entsprechend weist die Osmoseeinheit 5 einen Eingang für das zugeführte Salzwasser 1 und jeweils einen Ausgang für das Permeat und für das Retentat auf. Insgesamt weist die Osmoseeinheit 5 also zwei Ausgänge auf.
  • Im Leitungssystem 2 sind weiterhin eine Filteranordnung 7, ein Eingangsdrucksensor 8, ein Hochdrucksensor 9 sowie ein Ventil 10 vorgesehen.
  • Die Filteranordnung 7 ist im Leitungssystem 2 zwischen der Förderpumpe 3 und der Hochdruckpumpe 4 angeordnet. Die Filteranordnung 7 dient dazu, Partikel aus dem geförderten Salzwasser 1 zu entfernen. Die Filteranordnung 7 umfasst Zyklonabscheider 7a sowie mehrere Filterstufen 7b. Mit Hilfe des Zyklonabscheiders 7a werden Partikelgrößen von 50 µm oder größer entfernt. Nach Durchlaufen des Zyklonabscheiders 7a wird das Salzwasser 1 durch mehrere Filterstufen 7b gefiltert. Zwei weitere Vorfilter sind für Partikelgrößen von zumindest 20 µm bzw. von zumindest 5 µm vorgesehen. Weiterhin kann ein Aktivkohlefilter eingesetzt werden, um das Salzwasser 1 zu dechlorinisieren.
  • Der Eingangsdrucksensor 8 ist zwischen der Förderpumpe 3 und der Hochdruckpumpe 4 angeordnet und erfasst den Eingangsdruck P1. Der Hochdrucksensor 9 ist auf der Hochdruckseite der Hochdruckpumpe 4 angeordnet und erfasst den Hochdruck P2. Im konkreten Beispiel der 1 ist der Hochdrucksensor 9 in einem Abschnitt des Leitungssystems 2 angeordnet, der ausgehend vom Ausgang der Osmoseeinheit 5 für das Retentat stromabwärts liegt. Das heißt der Druck im Bereich des abzuführenden Retentats wird im konkreten Beispiel der 1 als Hochdruck P2 erfasst.
  • Durch Schließen des Ventils 10 ist bei gleichbleibendem Volumenstrom der Druck auf die Membranen 5a, 5b, 5c, 5d erhöhbar. Das Ventil 10 ist beispielsweise ein elektrisch betriebenes Stellventil. Das elektrisch betriebenes Stellventil kann einen Motor aufweisen, der mit einem Spannungssignal von 2 bis 10 V als Stellsignal angesteuert wird.
  • Die Ausgangsseite des Ventils 10 ist mit einem Auslass 11 verbunden. Der Auslass 11 dient dem Abführen des an der Osmoseeinheit 5 anfallenden Retentats. Der Auslass 11 kann beispielsweise mit dem Meer verbunden sein oder in einen Tank münden, um ein Weiterverarbeiten des Retentats zu ermöglichen.
  • Der Ausgang der Osmoseeinheit 5 für das Permeat ist mit dem das Frischwasser 6 aufnehmenden Frischwassertank über einen weiteren Abschnitt des Leitungssystems 2 verbunden. Der weitere Abschnitt des Leitungssystems 2 weist einen Leitfähigkeitssensor 12 und einen Durchflusssensor 13 auf. Mit dem Leitfähigkeitssensor 12 kann der Salzgehalt des Permeats gemessen werden. Mit dem Durchflusssensor 13 kann das Volumen des Permeats und/oder eine Durchflussrate des Permeats gemessen werden.
  • Weiterhin umfasst das Leitungssystem 2 einen Überbrückungsabschnitt 14, über den der das Frischwasser 6 aufnehmende Frischwassertank mit einem 3/2-Wegeventil 15 verbunden ist. Das 3/2-Wegeventil 15 ist im Leitungssystem 2 zwischen dem das Salzwasser 1 aufnehmenden Salzwassertank und der Förderpumpe 3 angeordnet. Das 3/2-Wegeventil 15 ist derart ausgestaltet, dass es im Betrieb der Entsalzungsanlage gegenüber dem Überbrückungsabschnitt 14 sperrt und einen Durchfluss von Salzwasser 1 aus dem Salzwassertank zur Förderpumpe 3 zulässt. Zum Spülen der Membranen 5a, 5b, 5c, 5d der Osmoseeinheit 5 ist das 3/2-Wegeventil 15 umschaltbar, so dass es gegenüber dem Salzwassertank sperrt und einen Durchfluss von Frischwasser 6 aus dem Frischwassertank über den Überbrückungsabschnitt 14 zur Förderpumpe 3 zulässt. Durch das Umschalten des 3/2-Wegeventils 15 kann Frischwasser 6 durch die Membranen 5a, 5b, 5c, 5d gepumpt werden. Dazu wird die Förderpumpe 3 beispielsweise mit 40 Hz betrieben. Die Hochdruckpumpe 4 wird dabei nicht betrieben. Das Ventil 10 ist während des Spülens vollständig geöffnet, so dass das Frischwasser 6 drucklos durch die Membranen 5a, 5b, 5c, 5d gepumpt werden kann.
  • Das Spülen der Membranen 5a, 5b, 5c, 5d erfolgt vorteilhafterweise nach dem Herunterfahren der Anlage beispielsweise bei einem Gewitter oder in der Dämmerung. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Entsalzungsanlage bei einem Salzgehalt des Permeats von über 1.200 ppm heruntergefahren wird. Durch das Spülen wird vorteilhafterweise verhindert, dass sich die Membranen 5a, 5b, 5c, 5d zusetzen und beispielsweise mit Salz verkrusten. Durch das Spülen wird also ein erneutes Anfahren der Anlage begünstigt.
  • Weiterhin umfasst die Entsalzungsanlage ein Dosiersystem 16. Das Dosiersystem 16 ist mit dem Leitungssystem 2 stromaufwärts der Förderpumpe 3 verbunden. Das Dosiersystem 16 umfasst eine elektronische Dosierpumpe, die beispielsweise durch einen Gleichstrommotor bei 24V DC angetrieben wird und einen Dosierbehälter, beispielsweise mit einem Fassungsvermögen von 25 Litern. Der Dosierbehälter ist zur Aufnahme einer Wasserlösung mit Antiscalant-Chemikalie vorgesehen. Antiscalant-Chemikalien werden verwendet, um Ablagerungen an den Membranen 5a, 5b, 5c, 5d, insbesondere ein sogenanntes Scaling und/oder Fouling, zu verhindern. Die Ablagerungen können beispielsweise aus mineralischen Verschmutzungen wie Calciumsulfat, Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Siliziumdioxid, Calciumfluorid und Strontiumsulfat bestehen. Die Antiscalant-Chemikalie wird dem geförderten Salzwasser 1 zugemischt und zusammen mit dem Salzwasser 1 mittels der Förderpumpe 3 und der Hochdruckpumpe 4 in die Osmoseeinheit 5 gepumpt. Dabei ist vorteilhafterweise ausgeschlossen, dass die Antiscalant-Chemikalie die Membranen 5a, 5b, 5c, 5d durchdringt und in das Permeat gelangt. Die Dosierung der Antiscalant-Chemikalie im Dosierbehälter kann 5 % Antiscalant-Chemikalie auf 95 % Wasser sein. Pro Liter gefördertem Salzwasser 1 wird beispielsweise eine Menge von 1.3mg/l Antiscalant-Chemikalie benötigt.
  • Die Entsalzungsanlage weist weiterhin mehrere Solarmodule 20 auf, die über eine elektrische Verbindungseinrichtung 30 die Förderpumpe 3 und die Hochdruckpumpe 4 mit Energie versorgen. Die mehreren Solarmodule 20 bilden zusammen eine Solaranlage. Die von den Solarmodulen 20 erzeugte elektrische Leistung hängt von der Einstellung des Betriebspunkts (engl. Power Point) ab. Die Lage des optimalen Betriebspunkts (engl. Maximum Power Point) wird insbesondere von der Intensität der auf die Solarmodule 20 einfallenden Lichteinstrahlung und der Temperatur der Solarmodule 20 beeinflusst. Zur Einstellung des Betriebspunkts umfasst die elektrische Verbindungseinrichtung 30 einen Solarregler 31. Der Solarregler 31 ist über eine Versorgungsleitung 35 mit den Solarmodulen 20 verbunden. Der Solarregler 31 ist ein Maximum-Power-Point-Tracker (MPP-Tracker), beispielsweise ein Buck-Boost-Konverter.
  • Weiterhin umfasst die elektrische Verbindungseinrichtung 30 eine Gleichspannungsleitung 32, einen Förderpumpenwechselrichter 33 und einen Hochdruckpumpenwechselrichter 34. Der Solarregler 31 ist dazu ausgestaltet, eine durch die Solarmodule 20 bereitgestellte Spannung an eine Spannung der Gleichspannungsleitung 32 anzupassen. Die elektrische Verbindungseinrichtung 30 ist über den Solarregler 31 mit den Solarmodulen 20 verbunden. Der Solarregler 31 ist über die Gleichspannungsleitung 32 mit dem Förderpumpenwechselrichter 33 und dem Hochdruckpumpenwechselrichter 34 verbunden. Die elektrische Verbindungseinrichtung 30 ist über den Förderpumpenwechselrichter 33 mit einem Förderpumpenmotor zum Antrieb der Förderpumpe 3 und über den Hochdruckpumpenwechselrichter 34 mit einem Hochdruckpumpenmotor zum Antrieb der Hochdruckpumpe 4 verbunden. Der Förderpumpenmotor und der Hochdruckpumpenmotor sind jeweils dreiphasige Elektromotoren. Der Förderpumpenwechselrichter 33 und der Hochdruckpumpenwechselrichter 34 stellen entsprechend jeweils einen Drehstrom, das heißt einen Dreiphasenwechselstrom, bereit, der jeweils über eine dreiphasige Verbindungsleitung 36a, 36b dem Förderpumpenmotor bzw. dem Hochdruckpumpenmotor zugeführt wird. Es kann also für jede Pumpe eine eigene Frequenz zur Verfügung gestellt werden. Der Förderpumpenwechselrichter 33 erzeugt beispielsweise eine Frequenz zwischen 30 und 60 Hz, insbesondere von 40 und 50 Hz. Der Hochdruckpumpenwechselrichter 34 erzeugt beispielsweise eine Frequenz zwischen 25 und 60 Hz, insbesondere eine Frequenz zwischen 30 und 55 Hz.
  • Die elektrische Verbindungseinrichtung 30 umfasst zusätzliche Hardware zur Messung und/oder Überwachung der in der Gleichspannungsleitung 32 und/oder der Versorgungsleitung 35 und/oder den dreiphasigen Verbindungsleitungen 36a, 36b auftretenden Ströme und/oder Spannungen.
  • Weiterhin weist die Entsalzungsanlage eine in 1 nicht dargestellte Steuereinrichtung auf. Die Steuereinrichtung umfasst einen Mikroprozessor, einen Speicher, mehrere Schnittstellen und eine Bedieneinrichtung.
  • Die Steuereinrichtung, insbesondere der Mikroprozessor, steuert vorzugsweise die gesamte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Steuereinrichtung, insbesondere der Mikroprozessor, misst, überwacht und/oder steuert beispielsweise die Drehzahl der Hochdruckpumpe 4 und/oder der Förderpumpe 3, den Eingangsdruck P1, den Hochdruck P2, den Öffnungszustand des Ventils 10, die Durchflussrate des aufzubereitenden und/oder des aufbereiteten Wassers, den Salzgehalt des aufzubereitenden und/oder des aufbereiteten Wassers, den Zustand des 3/2-Wegeventils 15 und/oder die Leerlaufspannung VLL des Solarmoduls 20. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung, insbesondere der Mikroprozessor, vorzugsweise den Solarregler 31, den Hochdruckpumpenwechselrichter 34, Förderpumpenwechselrichter 33.
  • 2 zeigt einen schematischen Schaltplan zur Darstellung der elektrischen Verbindungseinrichtung 30. Zur Vereinfachung der Darstellung bezieht sich die 2 exemplarisch auf die die Hochdruckpumpe 4 betreffenden Elemente. Die die Förderpumpe 3 betreffenden Elemente sind dabei weggelassen. Eine analoge schematische Darstellung ergibt sich jedoch auch zur Förderpumpe 3.
  • Mit Hilfe des Solarreglers 31, im vorliegenden Beispiel ein Maximum-Power-Point-Tracker (MPP-Tracker), wird eine Gleichspannung von 650 V an der Gleichspannungsleitung 32 bereitgestellt. Im Schaltplan ist der Solarregler 31 durch einen Feldeffekttransistor 31a und eine Diode 31b veranschaulicht. Durch den Hochdruckpumpenwechselrichter 34 wird Drehstrom, das heißt Dreiphasenwechselstrom, zur Versorgung des Hochdruckpumpenmotors 4a bereitgestellt. Die Erzeugung des Drehstroms erfolgt dabei durch PWMgesteuerte IGBT-Halbleiter. Die dabei zu erzeugende Frequenz wird von der Steuereinrichtung vorgegeben und ist abhängig von der vorhandenen Solarleistung und dem Betriebszustand des Systems. Die Ausgangsspannung passt sich hierbei proportional zur Frequenz an. Dies wird U/f-Steuerung genannt.
  • Mit dem Bezugszeichen 37 ist ein Zwischenkreiskondensator bezeichnet. Der Zwischenkreiskondensator 37 dient dem Glätten und Stabilisieren der Spannung der Gleichspannungsleitung 32. Der Zwischenkreiskondensator 37 ist im vorliegenden Beispiel ein Folienkondensator mit einer Kapazität von 1,5 mF und einer Spannungsfestigung von 1200 V.
  • 3 zeigt einen schematischen Schaltplan. Zur Vereinfachung der Darstellung bezieht sich die 3 exemplarisch auf die die Hochdruckpumpe 4 betreffenden Elemente. Die die Förderpumpe 3 betreffenden Elemente sind dabei weggelassen. Ein analoger Schaltplan ergibt sich jedoch auch zur Förderpumpe 3.
  • Wie bereits erläutert sind die Solarmodule 20 über den Solarregler 31, im vorliegenden Beispiel ein Maximum-Power-Point-Tracker (MPP-Tracker), über die Gleichspannungsleitung 32 und über den Hochdruckpumpenwechselrichter 34 mit dem Hochdruckpumpenmotor 4a verbunden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist dabei lediglich eine Umwandlung von Gleichstrom zu Dreiphasenwechselstrom erforderlich.
  • Zusätzlich ist in 3 ein Superkondensator 38 gezeigt. Der Superkondensator 38 ist mittels eines Gleichspannungswandlers 38a zwischen den Solarregler 31 und den Hochdruckpumpenwechselrichter 34 geschalten. Zusätzlich kann parallel zum Hochdruckpumpenwechselrichter 34 ein Förderpumpenwechselrichter 33 vorgesehen sein. Die Kapazität des Superkondensators liegt beispielsweise bei 3,8 F oder 5 F. Der Superkondensator 38 wird beispielsweise mit einer Spannung zwischen 100 V bis 400 V beaufschlagt. Der Superkondensator 38 bewirkt vorteilhafterweise ein Glätten und/oder Puffern der Gleichspannung. Dadurch kann ein Leistungseinbruch abgefedert werden, das heißt bei einer verschlechterten Leistungsabgabe der Solarmodule 20 beispielsweise bei aufziehender Bewölkung kann sich die Nutzungsdauer der Anlage verlängern. Weiterhin kann der Superkondensator 38 eine Restenergie für ein kontrolliertes Herunterfahren und/oder Spülen der Membranen 5a, 5b, 5c, 5d bereitstellen. Der Superkondensator 38 ermöglicht dadurch auch das Vorsehen einer kleineren Schrittweite in der Regelung der Hochdruckpumpe und/oder der Förderpumpe. Daher trägt der Superkondensator zu einem Schutz der Osmoseeinheit 5 und insbesondere der darin vorgesehenen Membranen 5a, 5b, 5c, 5d bei.
  • Die 4a bis 4d zeigen verschiedene Flussdiagramme zur Erläuterung erfindungsgemäßer Verfahren. 4a zeigt ein einen Übergang von einem Ruhemodus zu einem Starten der Anlage beschreibendes Flussdiagramm. Die Anlage wird beispielsweise am Morgen und/oder nach einem Gewitter bei hinreichender Sonneneinstrahlung wieder gestartet. In einem Schritt S01 ist die Anlage abgeschaltet. Währenddessen wird in regelmäßigen zeitlichen Abständen die Leerlaufspannung VLL des Solarmoduls 20 erfasst. Die Leerlaufspannung VLL wird durch die Steuereinrichtung erfasst. Die Steuereinrichtung kann dazu durch das Solarmodul 20 und/oder durch den Superkondensator mit Energie versorgt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung dazu durch eine Batterie, insbesondere durch zwei Autobatterien mit einer Spannung von 24 V versorgt werden. Die Autobatterien können über die Solarmodule 20 aufgeladen werden. Im Schritt S02 wird überprüft, ob die Leerlaufspannung VLL einen vorbestimmten Schwellwert VLLmin überschreitet. Der vorbestimmte Schwellwert VLLmin beträgt beispielsweise 350 V. Ist dies nicht der Fall, bleibt die Anlage abgeschaltet (Schritt S03). Überschreitet die Leerlaufspannung VLL den vorbestimmten Schwellwert VLLmin, so wird in einem Schritt S10 das Starten der Anlage eingeleitet.
  • Das Starten der Anlage (Schritt S10) wird mit dem Flussdiagramm der 4b näher beschrieben. In einem Schritt S11 wird überprüft, ob die Förderpumpe 3 abgeschaltet ist. Bejahendenfalls wird die Förderpumpe 3 in einem Schritt S12 auf eine vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl nFPmin angefahren. Die vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl nFPmin ist die für den Betrieb der Anlage minimal zulässige Drehzahl nFP der Förderpumpe 3. Die Förderpumpe 3 wird zum Schutz der Anlage, insbesondere zum Schutz der Hochdruckpumpe 4, vorzugsweise nicht mit geringerer Drehzahl nFP betrieben. Genauer gesagt kann dadurch eine durch einen zu niedrigen Eingangsdruck hervorgerufene Kavitation am Eingang der Hochdruckpumpe 4 vermieden werden. Die vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl nFPmin beträgt beispielsweise 1050 Umdrehungen pro Minute. Entsprechend beträgt die für den Betrieb der Anlage minimale Frequenz des Förderpumpenmotors 33 beispielsweise 35 Hz.
  • In einem Schritt S13 wird überprüft, ob die Hochdruckpumpe 4 abgeschaltet ist und die Förderpumpe 3 bereits auf die vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl nFPmin angefahren ist. Bejahendenfalls wird die Hochdruckpumpe 4 in einem Schritt S14 auf eine vorbestimmte Hochdruckpumpenminimaldrehzahl nHPmin angefahren. Die vorbestimmte Hochdruckpumpenminimaldrehzahl nHPmin ist die für den Betrieb der Anlage minimal zulässige Drehzahl nHP der Hochdruckpumpe 4. Die Hochdruckpumpe 4 wird zum Schutz der Anlage, insbesondere zum Schutz der Osmoseeinheit 5 und/oder zum Schutz der darin Membranen 5a, 5b, 5c, 5d, nicht mit geringerer Drehzahl nHP betrieben. Die vorbestimmte Hochdruckpumpenminimaldrehzahl nHPmin beträgt beispielsweise 900 Umdrehungen pro Minute. Entsprechend ist die für den Betrieb der Anlage minimale Frequenz des Hochdruckpumpenmotors 34 beispielsweise 30 Hz.
  • In einem Schritt S15 wird fortlaufend überprüft, ob die am Zwischenkreiskondensator 37 anliegende Gleichspannung VDC einen vorbestimmten Spannungsbereich, das heißt ein definiertes Spannungsfenster, überschreitet. Der vorbestimmte Spannungsbereich reicht beispielsweise von 550 V bis 650 V. Vorliegend wird also überprüft, ob der obere Wert des vorbestimmten Spannungsbereichs, das heißt eine vorbestimmte maximale Gleichspannung, überschritten wird. Die vorbestimmte maximale Gleichspannung liegt im vorliegenden Beispiel bei 650 V. In einem Schritt S16 wird überprüft, ob die Förderpumpe 3 auf die vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl nFPmin angefahren ist und ob die Hochdruckpumpe 4 auf die vorbestimmte Hochdruckpumpenminimaldrehzahl nHPmin angefahren ist. Ist dies nicht der Fall, wird in einem Schritt S17 keine weitere Aktion durchgeführt und beispielsweise gewartet bis die beiden Pumpen angefahren sind. Bejahendenfalls wird in einem Schritt S18 überprüft, ob der an der Osmoseeinheit 5 bereitgestellte und mittels des Hochdrucksensors 9 gemessene Hochdruck P2 einen vorbestimmten minimalen Hochdruck P2min, beispielsweise 44 bar, übersteigt. Ist dies nicht der Fall, wird in einem Schritt S19 das Ventil 10 schrittweise geschlossen, bis zum der Hochdruck P2 den vorbestimmten minimalen Hochdruck P2min, beispielsweise 44 bar, übersteigt. Bejahendenfalls wird in einem Schritt S20 ein normaler Betriebszustand, das heißt der Normalbetrieb der Anlage, erreicht. Dabei wird Wasser aufbereitet und als Frischwasser 6 in den Frischwassertank eingeleitet. Das Frischwasser 6 ist vorzugsweise Trinkwasser.
  • Zusätzlich wird während des Startvorgangs (Schritte S10 bis S19) vorzugsweise fortlaufend überprüft, ob die am Zwischenkreiskondensator 37 anliegende Spannung VDC den vorbestimmten Spannungsbereich unterschreitet, das heißt eine vorbestimmte minimale Gleichspannung, beispielsweise 550 V, unterschreitet. Bejahendenfalls wird angenommen, dass nicht genug Leistung zum Starten der Anlage zur Verfügung steht und der Startvorgang beendet und/oder die Anlage heruntergefahren.
  • 4c zeigt ein die Überwachung eines normalen Betriebszustands der Anlage beschreibendes Flussdiagramm. Dabei wird insbesondere überprüft, ob die am Zwischenkreiskondensator 37 anliegende Spannung VDC innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt. Der vorbestimmte Spannungsbereich reicht im vorliegenden Beispiel von 550 V bis 650 V. In einem Schritt S21 wird überprüft, ob die an der Gleichspannungsleitung 32 anliegende Spannung VDC eine vorbestimmte minimale Gleichspannung, das heißt 550 V, unterschreitet. Liegt zusätzlich Leistungsanpassung vor, das heißt der Solarregler 31 betreibt die Solarmodule 31 am optimalen Betriebspunkt, also am Maximum-Power-Point (MPP), ist dies ein Hinweis darauf, dass die Leistung der Solarmodule 31 unzureichend ist. In einem Schritt S22 wird sodann überprüft, ob die Drehzahl nFP der Förderpumpe 3 zumindest die vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl nFPmin immer noch erreicht und ob die Drehzahl nHP der Hochdruckpumpe 4 zumindest die vorbestimmte Hochdruckpumpenminimaldrehzahl nHPmin immer noch erreicht. Ist dies nicht der Fall, wird in einem Schritt S50 das Herunterfahren der Anlage eingeleitet. Das Herunterfahren der Anlage wird in 4d beschrieben. Wird die Überprüfung aus Schritt S22 bejaht, so muss die Drehzahl der Pumpen entsprechend der folgenden Beschreibung schrittweise verringert werden. In einem Schritt S23 wird überprüft, ob der am Eingang der Hochdruckpumpe 4 bereitgestellte und mittels des Eingangsdrucksensors 8 gemessene Eingangsdruck P1 einen vorbestimmten maximalen Eingangsdruck P1max, beispielsweise 2,5 bar, überschreitet. Solange dies erfüllt ist, wird in einem Schritt S24 die Drehzahl nFP der Förderpumpe 3 in diskreten Schritten mit einer Schrittweite von 150 Umdrehungen pro Minute unter Einhaltung einer Mindestzeitdauer von 2 s zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten verringert. Solange der vorbestimmte maximale Eingangsdruck P1max, beispielsweise 2,5 bar, nicht überschritten wird, wird stattdessen in einem Schritt S25 die Drehzahl nHP der Hochdruckpumpe 4 in diskreten Schritten mit einer Schrittweite von 30 Umdrehungen pro Minute unter Einhaltung einer Mindestzeitdauer von 2 s zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten verringert. Der Eingangsdruck P1 kann somit durch das Verhältnis der Drehzahlen von Förderpumpe 3 und Hochdruckpumpe 4 eingestellt werden.
  • Sofern im Schritt S21 festgestellt wird, dass die an der Gleichspannungsleitung 32 anliegende Spannung VDC die vorbestimmte minimale Gleichspannung, das heißt 550 V, überschreitet, wird in einem Schritt S31 überprüft, ob die an der Gleichspannungsleitung 32 anliegende Spannung VDC die vorbestimmte maximale Gleichspannung, das heißt 650 V, überschreitet. Bejahendenfalls wird die Drehzahl der Pumpen entsprechend der folgenden Beschreibung schrittweise erhöht, insbesondere wenn keine Leistungsanpassung vorliegt, das heißt wenn die Solarmodule 20 außerhalb des optimalen Betriebspunkts, also außerhalb des Maximum-Power-Points (MPP) betrieben werden. In einem Schritt S32 wird überprüft, ob der am Eingang der Hochdruckpumpe 4 bereitgestellte und mittels des Eingangsdrucksensors 8 gemessene Eingangsdruck P1 den vorbestimmten minimalen Eingangsdruck P1min, beispielsweise 1,3 bar, überschreitet. Solange dies erfüllt ist, wird in einem Schritt S33 die Drehzahl nHP der Hochdruckpumpe 4 in diskreten Schritten mit einer Schrittweite von 30 Umdrehungen pro Minute unter Einhaltung einer Mindestzeitdauer von 10 s zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten erhöht. Solange der vorbestimmte minimale Eingangsdruck P1min, beispielsweise 1,3 bar, nicht überschritten wird, wird stattdessen in einem Schritt 34 die Drehzahl nFP der Förderpumpe 3 in diskreten Schritten mit einer Schrittweite von 150 Umdrehungen pro Minute unter Einhaltung einer Mindestzeitdauer von 10 s zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten erhöht. Durch das schrittweise Erhöhen der Drehzahlen der Pumpen wird ein schrittweises Annähern an die maximale Leistung der Anlage erreicht. Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile. Die Erhöhung der Drehzahl nFP der Förderpumpe 3 stabilisiert das Verfahren, wirkt dabei insbesondere einer Kavitation entgegen. Eine Erhöhung der Drehzahl nHP der Hochdruckpumpe 4 kann eine Erhöhung des Hochdrucks P2 und infolgedessen eine Erhöhung des in die Osmoseeinheit 5 eintretenden Volumenstroms von aufzubereitendem Wasser und eine Erhöhung der Produktionsrate des ausgegebenen aufbereiteten Wassers bewirken. Unter der Produktionsrate wird dabei das pro Zeiteinheit aufbereitete Wasservolumen verstanden. Außerdem kann nach einer Erhöhung der Drehzahl nHP der Hochdruckpumpe 4 der Hochdruck P2 durch schrittweises oder kontinuierliches Öffnen des Ventils 10 angepasst werden. Dadurch kann eine an der Osmoseeinheit 5 als Retentat anfallende hochkonzentrierte Salzlösung effizienter abgeführt werden und ein in der Osmoseeinheit 5 vorherrschender Salzgehalt gesenkt werden. Infolgedessen kann die Qualität des ausgegebenen aufbereiteten Wassers verbessert werden.
  • Während des normalen Betriebszustands der Anlage wird der Hochdruck P2 permanent mittels des Hochdrucksensors 9 gemessen und durch die Steuereinrichtung überwacht. Wird in einem Schritt S41 festgestellt, dass der Hochdruck P2 einen vorbestimmten maximalen Hochdruck P2max, beispielsweise 49 bar, überschreitet, so wird in einem Schritt S42 das Ventil 10 schrittweise oder kontinuierlich geöffnet, bis der Hochdruck P2 den vorbestimmten maximalen Hochdruck P2max, beispielsweise 49 bar, erreicht. Dadurch kann wie oben bereits erläutert eine an der Osmoseeinheit 5 als Retentat anfallende hochkonzentrierte Salzlösung effizienter abgeführt werden und ein in der Osmoseeinheit 5 vorherrschender Salzgehalt gesenkt werden. Infolgedessen kann die Qualität des ausgegebenen aufbereiteten Wassers verbessert werden.
  • Wird in einem Schritt S43 festgestellt, dass der Hochdruck P2 einen vorbestimmten minimalen Hochdruck P2min, beispielsweise 44 bar, unterschreitet, so wird in einem Schritt S44 das Ventil 10 schrittweise oder kontinuierlich geschlossen, bis der Hochdruck P2 den vorbestimmten minimalen Hochdruck P2min, beispielsweise 44 bar, erreicht. Dadurch kann eine hinreichende Ausgabe von Permeat, das heißt von aufbereitetem Wasser sichergestellt werden.
  • Das Herunterfahren der Anlage (Schritt S50) wird mit dem Flussdiagramm der 4d näher beschrieben. In einem Schritt S51 wird überprüft, ob das Ventil 10 vollständig geöffnet ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird das Ventil 10 in einem Schritt S52 vollständig geöffnet. Das vollständige Öffnen des Ventils 10 erfolgt schrittweise oder kontinuierlich unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestöffnungsdauer. Unter der Mindestöffnungsdauer wird eine Zeitdauer verstanden, die beim vollständigen Öffnen des Ventils 10 während des Schritts S52 zumindest verstreicht. Dadurch werden schnelle Druckschwankungen an den Membranen 5a, 5b, 5c, 5d vermieden. Das schrittweise Öffnen bewirkt also vorteilhafterweise einen Schutz der Membranen 5a, 5b, 5c, 5d vor Beschädigungen. Durch das vollständige Öffnen des Ventils 10 wird die Ausgabe von aufbereitetem Wasser gestoppt. In einem Schritt S53 wird überprüft, ob die Hochdruckpumpe 4 abgeschaltet ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird die Hochdruckpumpe 4 in einem Schritt S54 abgeschaltet. In einem Schritt S55 wird überprüft, ob die Förderpumpe 3 abgeschaltet ist. Sofern dies nicht der Fall ist, wird die Förderpumpe 3 in einem Schritt S56 abgeschaltet. Anschließend wird in einem Schritt S57 das Spülen der Membranen 5a, 5b, 5c, 5d durchgeführt. Dazu wird wie oben bereits beschrieben, Frischwasser 6 aus Frischwassertank, das heißt sauberes Wasser, mit Hilfe der Förderpumpe 3 durch die Osmoseeinheit 5 gepumpt. Durch das Spülen kann verhindert werden, dass sich die Membranen 5a, 5b, 5c, 5d mit Salz verkrusten. Durch das Spülen wird also ein erneutes Anfahren der Anlage begünstigt. Zum Spülen der Membranen 5a, 5b, 5c, 5d mit sauberem Wasser wird vorzugsweise genügend Restenergie vorgehalten. Die Restenergie kann beispielsweise durch den Superkondensator 38 bereitgestellt werden.
  • Nach dem Spülen der Membranen 5a, 5b, 5c, 5d wird die Anlage abgeschaltet. Wie oben erläutert wird im Ruhezustand der Anlage in regelmäßigen zeitlichen Abständen die Leerlaufspannung VLL des Solarmoduls 20 erfasst (Schritt S01), um gegebenenfalls ein erneutes Anfahren der Anlage durchführen.
  • 5 zeigt die Produktionsrate 40 an aufbereitetem Wasser über den Tagesverlauf hinweg für eine Meerwasserentsalzungsanlage mit einem Volumen an produziertem aufbereitetem Wasser von 6m3 pro Tag. Dazu ist das Volumen an produziertem aufbereitetem Wasser pro Stunde gegenüber der Tageszeit aufgetragen. Die linke Skala zeigt Werte der Produktionsrate 40 in l/h, das heißt in Liter pro Stunde. Zwischen etwa 8 und 17 Uhr erreicht die Produktionsrate 40 ein Maximum von etwa 300 I/h. Weiterhin zeigt 5 die Leistung 41 der Solarmodule 20 ebenfalls gegenüber der Tageszeit aufgetragen. Die rechte Skala zeigt Werte der Leistung 41 in Watt. Um etwa 12 Uhr erreicht die Leistung 41 ein Maximum von etwa 4500 W. Eine Gegenüberstellung der beiden Kurven zeigt, dass eine Leistung 41 der Solarmodule 20 von etwa 2800 W für die maximale Produktionsrate 40 der Meerwasserentsalzungsanlage genügt. Dadurch können auch Einbrüche der Leistung 41 der Solarmodule 20 ohne größere Einbrüche in der Produktionsrate 40 an aufbereitetem Wasser überdauert werden. Beispielsweise zeigt 5 zwischen etwa 12 und 15 Uhr einen Einbruch der Leistung 41 der Solarmodule 20 um etwa 60 % wegen eines Gewitters. Die Produktionsrate 40 an aufbereitetem Wasser bricht dabei jedoch nur um maximal etwa 10 % ein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Salzwasser
    2
    Leitungssystem
    3
    Förderpumpe
    4
    Hochdruckpumpe
    4a
    Hochdruckpumpenmotor
    5
    Osmoseeinheit
    5a, 5b, 5c, 5d
    Membranen
    6
    Frischwasser
    7
    Filteranordnung
    7a
    Zyklonabscheider
    7b
    Filterstufen
    8
    Eingangsdrucksensor
    9
    Hochdrucksensor
    10
    Ventil
    11
    Auslass
    12
    Leitfähigkeitssensor
    13
    Durchflusssensor
    14
    Überbrückungsabschnitt
    15
    3/2-Wegeventil
    16
    Dosiersystem
    20
    Solarmodule
    30
    elektrische Verbindungseinrichtung
    31
    Solarregler
    31a
    Feldeffekttransistor
    31b
    Diode
    32
    Gleichspannungsleitung
    33
    Förderpumpenwechselrichter
    34
    Hochdruckpumpenwechselrichter
    35
    Versorgungsleitung
    36a, 36b
    dreiphasige Verbindungsleitung
    37
    Zwischenkreiskondensator
    38
    Superkondensator
    38a
    Gleichspannungswandler
    40
    Produktionsrate
    41
    Leistung
    P1
    Eingangsdruck
    P2
    Hochdruck
    VLL
    Leerlaufspannung
    nFP
    Drehzahl der Förderpumpe
    nFPmin
    Förderpumpenminimaldrehzahl
    nHP
    Drehzahl der Hochdruckpumpe
    nHPmin
    Hochdruckpumpenminimaldrehzahl
    VDC
    Gleichspannung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2017/002022 A1 [0002]
    • DE 19850565 A1 [0003]

Claims (22)

  1. Anlage zur Aufbereitung von Wasser mittels Umkehrosmose, umfassend ein Solarmodul (20), eine Osmoseeinheit (5), eine Hochdruckpumpe (4) zur Bereitstellung eines den osmotischen Druck in der Osmoseeinheit (5) übersteigenden Hochdrucks (P2) mit einem Hochdruckpumpenmotor (4a) zum Antrieb der Hochdruckpumpe (4), ein Ventil (10) zum Anpassen des in der Osmoseeinheit (5) bereitgestellten Hochdrucks (P2), und eine zwischen dem Solarmodul (20) und dem Hochdruckpumpenmotor (4a) angeordnete elektrische Verbindungseinrichtung (30), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindungseinrichtung (30) eine Gleichspannungsleitung (32), einen Solarregler (31), über welchen die elektrische Verbindungseinrichtung (30) mit dem Solarmodul (20) verbunden ist, und einen Hochdruckpumpenwechselrichter (34) umfasst, welcher über die Gleichspannungsleitung (32) mit dem Solarregler (31) verbunden ist und über welchen die elektrische Verbindungseinrichtung (30) mit dem Hochdruckpumpenmotor (4a) verbunden ist, dass die Anlage und/oder die elektrische Verbindungseinrichtung (30) eine Steuereinrichtung umfasst, und dass die Steuereinrichtung zur Steuerung einer Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) derart angepasst ist, dass die Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten änderbar ist.
  2. Anlage nach Anspruch 1, wobei im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) die vorbestimmte Mindestzeitdauer eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 5 s bis 10 min ist, insbesondere 5 s beträgt, vorzugsweise 10 s beträgt.
  3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) die vorbestimmte Mindestzeitdauer eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 1 s bis 10 s ist, insbesondere 1 s beträgt, vorzugsweise 2 s beträgt.
  4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) ein fester Wert zwischen 15 Umdrehungen pro Minute und 90 Umdrehungen pro Minute ist, vorzugsweise 30 Umdrehungen pro Minute beträgt.
  5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anlage zusätzlich eine Förderpumpe (3) mit einem Förderpumpenmotor zu deren Antrieb umfasst, wobei der Förderpumpenmotor ebenfalls über die elektrische Verbindungseinrichtung (30) mit dem Solarmodul (20) verbunden ist, und wobei die elektrische Verbindungseinrichtung (30) einen Förderpumpenwechselrichter (33) umfasst, welcher über die Gleichspannungsleitung (32) mit dem Solarregler (20) verbunden ist und über welchen die elektrische Verbindungseinrichtung (30) mit dem Förderpumpenmotor (33) verbunden ist.
  6. Anlage nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung zur Steuerung einer Drehzahl der Förderpumpe (3) derart angepasst ist, dass die Drehzahl der Förderpumpe (3) ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten weiteren Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten weiteren Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten änderbar ist.
  7. Anlage nach Anspruch 6, wobei die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer identisch der vorbestimmten Mindestzeitdauer ist und die Steuereinrichtung vorzugsweise derart ausgestaltet ist, dass das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe (3) nicht gleichzeitig mit dem Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) erfolgt.
  8. Anlage nach Anspruch 6 oder 7, wobei die vorbestimmte weitere Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe (3) größer ist als die vorbestimmte Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4), wobei die vorbestimmte weitere Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe vorzugsweise ein fester Wert zwischen 90 Umdrehungen pro Minute und 300 Umdrehungen pro Minute ist, besonders bevorzugt 150 Umdrehungen pro Minute beträgt.
  9. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung einen Mikroprozessor und/oder einen Speicher und/oder eine Schnittstelle und/oder eine Bedieneinrichtung umfasst.
  10. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung in den Hochdruckpumpenwechselrichter (34) integriert ist und/oder der Hochdruckpumpenwechselrichter (34) als Steuereinrichtung ausgebildet ist.
  11. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung über eine Steuerleitung mit dem Hochdruckpumpenwechselrichter (34) verbunden ist.
  12. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Verbindungseinrichtung (30) einen Superkondensator (38) umfasst, welcher mittels eines Gleichspannungswandlers (38a) zwischen den Solarregler (31) und den Hochdruckpumpenwechselrichter (34) geschalten ist.
  13. Verfahren zur Steuerung einer Anlage zur Aufbereitung von Wasser mittels Umkehrosmose, insbesondere zur Steuerung einer Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Anlage ein Solarmodul (20), eine Osmoseeinheit (5), eine Hochdruckpumpe (4) zur Bereitstellung eines den osmotischen Druck in der Osmoseeinheit übersteigenden Hochdrucks (P2) mit einem Hochdruckpumpenmotor (4a) zum Antrieb der Hochdruckpumpe (4), ein Ventil (10) zum Anpassen des in der Osmoseeinheit (5) bereitgestellten Hochdrucks (P2), und eine zwischen dem Solarmodul (20) und dem Hochdruckpumpenmotor (4a) angeordnete elektrische Verbindungseinrichtung (30) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindungseinrichtung (30) eine Gleichspannungsleitung (32), einen Solarregler (31), über welchen die elektrische Verbindungseinrichtung (30) mit dem Solarmodul (20) verbunden ist, und einen Hochdruckpumpenwechselrichter (34) umfasst, welcher über die Gleichspannungsleitung (32) mit dem Solarregler (31) verbunden ist und über welchen die elektrische Verbindungseinrichtung (30) mit dem Hochdruckpumpenmotor (4a) verbunden ist, dass die Anlage und/oder die elektrische Verbindungseinrichtung (30) eine Steuereinrichtung umfasst, und dass die Steuereinrichtung den folgenden Schritt durchführt: Steuern der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4), wobei die Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten geändert wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Falle eines Erhöhens der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) die vorbestimmte Mindestzeitdauer eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 5 s bis 10 min ist, insbesondere 5 s beträgt, vorzugsweise 10 s beträgt, und/oder im Falle eines Verringerns der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) die vorbestimmte Mindestzeitdauer eine feste Zeitdauer innerhalb eines Intervalls von 1 s bis 10 s ist, insbesondere 1 s beträgt, vorzugsweise 2 s beträgt, und/oder die vorbestimmte Schrittweite für das Ändern der Drehzahl ein fester Wert zwischen 15 Umdrehungen pro Minute und 90 Umdrehungen pro Minute ist, vorzugsweise 30 Umdrehungen pro Minute beträgt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Anlage zusätzlich eine Förderpumpe (3) mit einem Förderpumpenmotor zu deren Antrieb umfasst, wobei der Förderpumpenmotor ebenfalls über die elektrische Verbindungseinrichtung (30) mit dem Solarmodul (20) verbunden ist, und wobei die elektrische Verbindungseinrichtung (30) einen Förderpumpenwechselrichter (33) umfasst, welcher über die Gleichspannungsleitung (32) mit dem Solarregler (31) verbunden ist und über welchen die elektrische Verbindungseinrichtung (30) mit dem Förderpumpenmotor verbunden ist, wobei eine Drehzahl der Förderpumpe (3) vorzugsweise ausschließlich in diskreten Schritten mit einer vorbestimmten weiteren Schrittweite unter Einhaltung einer vorbestimmten weiteren Mindestzeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schritten geändert wird, wobei die vorbestimmte weitere Mindestzeitdauer vorzugsweise identisch der vorbestimmten Mindestzeitdauer ist, wobei die Drehzahl der Förderpumpe (3) und die Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) vorzugsweise nicht gleichzeitig geändert werden, und wobei die vorbestimmte weitere Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe (3) vorzugsweise größer ist als die vorbestimmte Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4), wobei die vorbestimmte weitere Schrittweite für das Ändern der Drehzahl der Förderpumpe (3) vorzugsweise ein fester Wert zwischen 90 Umdrehungen pro Minute und 300 Umdrehungen pro Minute ist, besonders bevorzugt 150 Umdrehungen pro Minute beträgt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren zum Starten der Anlage die folgenden Schritte umfasst: • Erfassen der Leerlaufspannung des Solarmoduls (20), • Vergleichen der Leerlaufspannung mit einem vorbestimmten Schwellwert und bei Überschreiten des vorbestimmten Schwellwert: • Anfahren der Förderpumpe (3) auf eine vorbestimmte Förderpumpenminimaldrehzahl, • Anfahren der Hochdruckpumpe (3) auf eine vorbestimmte Hochdruckpumpenm inimaldrehzahl, • Bestimmen eines an der Osmoseeinheit (5) bereitgestellten Hochdrucks P2 mittels eines Hochdrucksensors (9), • Schließen des Ventils (10) bis zum Erreichen eines einen vorbestimmten minimalen Hochdruck (P2min) übersteigenden Hochdrucks (P2).
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der folgende Schritt durchgeführt wird: • Regeln der Leistung des Solarmoduls (20), so dass die Spannung der Gleichspannungsleitung (32) in einem Bereich von 200 bis 1000 V, vorzugsweise in einem Bereich von 500 V bis 650 V, besonders bevorzugt in einem Bereich von 550 V bis 650 V liegt.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die folgenden Schritte durchgeführt wird: • Bestimmen eines an einem Eingang der Hochdruckpumpe (4) bereitgestellten Eingangsdrucks (P1) mittels eines Eingangsdrucksensors (8) und/oder Bestimmen des an der Osmoseeinheit (5) bereitgestellten Hochdrucks (P2) mittels des Hochdrucksensors (9), • Einstellen des Eingangsdrucks (P1) und/oder des Hochdrucks (P2) durch Schließen oder Öffnen des Ventils (10) und/oder durch schrittweises Ändern der Drehzahl der Förderpumpe (3) und/oder durch schrittweises Ändern der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4), insbesondere durch Ändern des Verhältnisses der Drehzahlen der Förderpumpe (3) und der Hochdruckpumpe (4).
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei, sofern eine an der Gleichspannungsleitung (32) anliegende Gleichspannung größer als eine vorbestimmte maximale Gleichspannung ist, ein schrittweises Annähern an die maximale Leistung der Anlage durch die folgenden Schritte erfolgt: • Bestimmen des an einem Eingang der Hochdruckpumpe (4) bereitgestellten Eingangsdrucks (P1) mittels des Eingangsdrucksensors (8) und vorzugsweise Bestimmen des an der Osmoseeinheit (5) bereitgestellten Hochdrucks (P2) mittels des Hochdrucksensors (9), • Schrittweises Erhöhen der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4), wenn der am Eingang der Hochdruckpumpe (4) bereitgestellte Eingangsdruck (P1) größer ist als ein vorbestimmter minimaler Eingangsdruck (P1min), und/oder schrittweises Erhöhen der Drehzahl der Förderpumpe (3), wenn der am Eingang der Hochdruckpumpe (4) bereitgestellte Eingangsdruck (P1) kleiner ist als der vorbestimmte minimale Eingangsdruck (P1min), und • vorzugsweise Einstellen des Hochdrucks (P2) durch Schließen oder Öffnen des Ventils (10).
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei, sofern Leistungsanpassung vorliegt und die Leistung des Solarmoduls (20) abnimmt, eine schrittweise Reduktion der Leistung der Anlage durch die folgenden Schritte erfolgt: • Bestimmen des am Eingang der Hochdruckpumpe (4) bereitgestellten Eingangsdrucks (P1) mittels des Eingangsdrucksensors (8), • Schrittweises Verringern der Drehzahl der Förderpumpe (3) und/oder schrittweises Verringern der Drehzahl der der Hochdruckpumpe (4), um den Eingangsdruck (P1) an einen vorbestimmten maximalen Eingangsdruck (P1max) anzunähern.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei das Verfahren zum Herunterfahren der Anlage die folgenden Schritte umfasst: • Erfassen der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) und/oder der Drehzahl der Förderpumpe (3), • Vergleichen der Drehzahl der Hochdruckpumpe (4) mit der vorbestimmten Hochdruckpumpenminimaldrehzahl und/oder Vergleichen der Drehzahl der Förderpumpe (3) mit der vorbestimmten Förderpumpenminimaldrehzahl, • Vollständiges Öffnen des Ventils (10), • Abschalten der Hochdruckpumpe (4) und/oder Abschalten der Förderpumpe (3), • Spülen der in der Osmoseeinheit (5) vorgesehenen Membran oder Membranen (5a, 5b, 5c, 5d) mit sauberem Wasser, • Abschalten der Anlage.
  22. Ablauffähiges Programm zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 21, wobei das Programm auf dem Speicher der Steuereinrichtung gespeichert ist.
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