DE19733926A1

DE19733926A1 - Vorrichtung mit solarer, photovoltaischer Energieversorgung zur Förderung von Wasser aus Tiefen bzw. auf Förderhöhen von 15 m bis 100 m

Info

Publication number: DE19733926A1
Application number: DE19733926A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bohner; Albert Dr Ing Fritzsche; Dieter Dipl Ing Schneller
Original assignee: BOHNER SOLAR und SONDERMASCHIN
Current assignee: BOHNER SOLAR und SONDERMASCHIN
Priority date: 1997-08-06
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 1999-02-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit solarer, photovoltaischer Energieversorgung zur Förderung von Wasser aus Tiefen bzw. auf Förderhöhen von 15 m bis 100 m.

Der weltweit wachsende Bedarf an Wasser erhöht auch in ländlichen Regionen den Bedarf an dezentralen, energetisch autarken, kostengünstigen und wartungsarmen Pumpanlagen zur Förderung von Trinkwasser aus Tieflochbrunnen. In unterschiedlichen Klimazonen gewonnene Einsatzerfahrungen machen die Schwierigkeiten deutlich, mit Solargenerator, Energieaufbereitung, Wechselstrommotor und mehrstufiger Bohrlochpumpe zu einem angemessenen Kosten/Nutzen-Verhältnis zu kommen. Derartige Systeme erzielen nur einen Wirkungsgrad von weniger als 4%, bezogen auf das Verhältnis von hydraulischer Leistung zu Sonneneinstrahlung. Der Tages-Wirkungsgrad, also das Verhältnis von hydraulischer Tages-Leistung zu Tages-Sonneneinstrahlung, erreicht nicht einmal diesen Wert, weil zur Erreichung der geodätischen Förderhöhe eine Mindestdrehzahl der betreffenden Pumpe(n), hervorgerufen durch eine Mindest-Sonneneinstrahlung, nötig ist. Eine Reduzierung der Fördermenge bei Teillast läßt sich nur bei einem Bohrlochfeld mit gemeinsamer Energieversorgung durch Abschaltung einzelner Pumpen erreichen.

Die Preise für Solarzellen sind sehr hoch und dementsprechend auch die Systemkosten. Um den Nutzen getätigter Investitionen zu steigern, wurde im Sinne einer Anhebung des Wirkungsgrads die Verwendung hydrostatischer Pumpsysteme vorgeschlagen. Im Leistungsbereich um 300 W wurden Schraubenpumpen erprobt, die von Drehzahl und Leistung unabhängige Förderhöhen erzielen. Diese Anlagen sind für stetige Betriebsbedingungen konzipiert. Die einfach wirkende Hubkolbenpumpe kennzeichnet ein ungleichförmiges Antriebsmoment, das bei stetigen Betriebsbedingungen durch Ausgleichsgewichte, mechanische oder Gasfedern nahezu ausgeglichen werden kann. In tropischen und ariden Regionen weisen Grundwasservorräte aber saisonale, oft sogar täglich wechselnde Spiegelhöhen auf. Wegen der ohnehin schon beträchtlichen Kosten für Investitionen kleiner, solarer Pumpanlagen um 1 kW hydraulischer Leistung (367 m⁴/h) rechnen sich zusätzliche Aufwendungen für eine automatische Anpassung an die momentane Förderhöhe nicht.

Bei solarthermischen Antriebssystemen mit Hubkolbenpumpe liefern die Temperatur des im Solarkollektor erwärmten bzw. verdampften Wärmeträgermediums und die Temperatur des Förderwassers, das zugleich als Kühlwasser dient, die theoretische Obergrenze der Leistungsausbeute (Carnot-Wirkungsgrad). Die thermische Kapazität des Systems hat eine tägliche Verzögerung des Anlaufs gegenüber der beginnenden Sonneneinstrahlung zur Folge. Der prozeßtechnische Aufwand, die notwendige Dichtigkeit des Wärmeträgerkreises und die notwendige, hohe Fertigungsgenauigkeit aller thermisch mechanisch belasteten Bauteile sind sehr nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß nahezu ohne Schwellwert eine Ausnutzung der Solarenergie auch bei schwankender Förderhöhe mit möglichst großem Tageswirkungsgrad erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die Vorteile auf, daß die photovoltaische Wasserförderung für einen Tagesbedarf von 500 bis 2000 m⁴/Tag zu einer vor allem für ländliche Regionen betriebs- und volkswirtschaftlich interessanten Technologie führt, wobei saisonal oder sogar täglich schwankende Höhen des Grundwasserspiegels keine Rolle spielen. Die Verwendung einer einfachwirkenden Hubkolbenpumpe hält die Investitionskosten auf niedrigem Niveau. Die Einfachheit von Aufbau, Montage und Wartung ermöglichen Fertigung und Einsatz auch in Entwicklungs- und Schwellenländern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung mit solarer, photovoltaischer Energieversorgung zur Förderung von Wasser,

Fig 2 eine Vorderansicht des konstruktiven Aufbaus der Vorrichtung gemäß Fig. 1, mit einer Pumpe und deren Antrieb, einem Riemenantrieb und einem Gestänge für die Pumpe mit Kolbenstange,

Fig. 3 Seitenansicht des konstruktiven Aufbaus nach Fig. 2,

Fig. 4 ein anderes, kompakteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit anderer Antriebs- und Gestängeanordnung,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Hubkolbenpumpe mit einem Windkessel, im Saughub,

Fig. 6 einen Schnitt durch die Hubkolbenpumpe mit Windkessel gemäß Fig. 5, im Leerhub.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 (Fig. 1) mit solarer, photovoltaischer Energieversorgung umfaßt zunächst einen Solargenerator 101, der aus der Gesamtheit der Solarzellen gebildet ist, und in Ost-West-Richtung mit standortbedingter Neigung auf Stützen, einem nahegelegenen Hausdach oder ähnlichem, montiert ist. Die von dem Solargenerator gelieferte Energie wird bei einem Spannungsniveau von 120 bis 180 V einem Steuergerät 102 (Maximum Power Point Tracker MPPT) zugeleitet, das die Betriebsführung des Solargenerators 101 sowie eines nachgeschalteten Motors 103, der ein Gleichstrommotor ist, bewerkstelligt. Entsprechend momentaner Sonneneinstrahlung wird der Solargenerator am optimalen Betriebspunkt gehalten. Dabei erhält der Motor 10 : 3 die Leistung, die für den Antrieb einer Pumpe 108 nötig ist. Die Kurzzeitenergiespeicherung pendelt um den verfügbaren Mittelwert.

Auf der Abtriebswelle des Motors 103 sitzt ein Schwungrad 105. Zur Reduzierung der Schwungmasse könnte noch eine Übersetzung ins Schnelle zwischen die Abtriebswelle des Motors 103 und das Schwungrad 105 geschaltet werden.

Das gegenüberliegende Teil der Abtriebswelle des Motors 103 ist mit einem zweistufigen Untersetzungsgetriebe 106 verbunden, das vorzugsweise als Flachriemenantrieb ausgebildet ist. Ein Flachriemenantrieb hat den Vorteil geringer Geräuschentwicklung, niedriger Investitionskosten und geringen Wartungsaufwands.

Der Motor 103, vorzugsweise ein Permanentmagnetmotor, hat hohe thermische Kapazität und weist über den gesamten Teillastbereich hohen Wirkungsgrad auf. Bei laufender Pumpe 108 wird die Verlustwärme des Motors 103 mit Hilfe eines Kühlmantels 107, der einen Teil des geförderten Wassers führt, der über eine Nebenstromleitung 104 herangeführt wird, abgeleitet. Der Staudruck in der das geförderte Wasser führenden Hauptstromleitung 111 liefert die nötige Druckdifferenz für den Umlauf des Kühlwassers in der Nebenstromleitung 104. Etwa 2% des Wasserdurchsatzes in der Hauptstromleitung 111 reichen aus, um mit 1 bis 2°C Temperaturdifferenz in der Nebenstromleitung 104 die Verlustwärme des Motors 103 abzuführen. Hierdurch wird erreicht, daß zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrads die Temperatur im Motor 103 auch bei hoher Leistung nur geringfügig über der Temperatur des geförderten Wassers und damit deutlich unter der Umgebungstemperatur liegt.

Dem Untersetzungsgetriebe 106 (Fig. 1) ist ein Gestänge 110 nachgeschaltet, das die Pumpe 108 antreibt. Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung wird für die Pumpe 108 eine Hubkolbenpumpe verwendet. Zur Unterdrückung von Druckschwankungen der einstufigen Pumpe sorgt ein, konzentrisch um eine Kolbenstange über der Pumpe 108 angeordneter Windkessel 109. Die Pumpe 108 saugt Wasser aus einem Brunnen 112 an und fördert es über die Hauptstromleitung 111 in einen Hochbehälter 114. Bedarfsweise wird Wasser aus dem Hochbehälter 114 über einen Schieber 113 an (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Verbraucher abgegeben.

Anhand der Fig. 2 und 3 der Zeichnungen wird ein erstes Ausführungsbeispiel einer konstruktiven Ausbildung eines Untersetzungsgetriebes 106 in Form eines Riemenantriebs mit Motor 103, Schwungrad 105 und Gestänge 110 erläutert. Die Lagerungen der Riemenscheiben liegen hier in einer Ebene.

Weil die Lagerung der Riemenscheiben in einer Ebene von der Funktion her an sich nicht zwingend erforderlich ist, ist der Motor 103 für den Antrieb der Vorrichtung 100 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung unterhalb eines großen Rades 115 an einem Rahmen 116 der Vorrichtung 100 gelagert, was in den Zeichnungen nicht dargestellt ist.

Der Kurbelwellenradius einer Kurbel 117 (Fig. 2, 3) ist manuell verstellbar, wodurch der Kolbenhub der Pumpe 108 über ein Pleuel 118, einen Schwenkarm 119 und eine Kolbenstange 120 entsprechend der Förderhöhe, also der Höhendifferenz von Wasserspiegel im Brunnen 112 zum Hochbehälter 114, justierbar ist.

Über einen seitlichen Stutzen 121 verläßt das geförderte Wasser die im Brunnen 112 (Fig. 1) befindliche Hauptstromleitung 111 (Fig. 1, 2, 3), welche die Steigleitung der Vorrichtung 100 darstellt.

Die Vorrichtung 100 ist mit einem Dach 122 als Regenschutz versehen.

Aus Fig. 4 der Zeichnungen ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer kompakteren, konstruktiven Ausbildung der Erfindung in Form einer anderen Vorrichtung 200 mit einer anderen Gestängeanordnung als bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 zu sehen. Hierbei ist ein Schwenkarm 219 am Rahmen 216 oberhalb des Untersetzungsgetriebes 206 angelenkt, so daß der Pleuel 218 vom Rad 215 aus nach oben weist. Durch diese kompakte Bauform ist eine Verkleinerung des Bauvolumens erreichbar.

Die Pumpe 108 in Form einer Hubkolbenpumpe mit einem Windkessel im aufwärts gerichteten Saug- und Förderhub zeigt die Fig. 5 der Zeichnungen.

Die Pumpe 108 in Form einer Hubkolbenpumpe mit einem Windkessel im abwärts gerichteten Leerhub zeigt die Fig. 6 der Zeichnungen.

Der Aufbau der Pumpe 108 (Fig. 5, 6) mit einem Eintrittsventil 123, einem Austrittsventil 124 und einer Kolbenstange 125 ist an sich bekannt. Erfindungsgemäß wird zusätzlich noch ein rohrförmiger Windkessel 109 verwendet. Dessen Ringraum wird über eine (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Druckleitung mit Luft gefüllt gehalten. Dadurch werden die für die einfach wirkende Pumpe 108 charakteristischen Druckschwankungen unmittelbar an der Pumpe soweit ausgeglichen, daß die Aufwärtsströmung des Wassers kontinuierlich verläuft.

Ein (in den Zeichnungen nicht dargestellter) mitlaufender Luftverdichter zur Aufrechterhaltung des Luftvorrats im Windkessel 109 ist vorgesehen.

Alternativ hierzu ist eine (in den Zeichnungen nicht dargestellte) handbetätigte Luftpumpe zur Aufrechterhaltung des Luftvorrats im Windkessel 109 vorgesehen.

Mit dem beschriebenen Aufbau der Pumpe 108 und einer geringen Masse der Kolbenstange 120 wird eine hohe Pumpfrequenz von etwa 2 Hz erreicht. Auf der Kolbenstange 120 sitzt eine Feder 125, welche die Gestalt einer Schraubenfeder hat und als Rückholfeder wirkt. Im aufwärts gerichteten Saug- und Förderhub (Fig. 5) ist die Feder 125 gespannt, im abwärts gerichteten Leerhub (Fig. 6) ist die Feder 125 gedehnt. Die als Rückholfeder wirkende Feder 125 unterstützt die Kolbenstange 120 bei ihrer Abwärtsbewegung und trägt ebenfalls zu einem gleichmäßigen Lauf der Pumpe 108 bei.

Durch eine Bohrung 126 im Austrittsventil 124 (Fig. 5, 6) wird das Moment der Pumpe 108 bei ihrem Anlaufen und jeweils am Beginn des Förderhubs etwas entlastet. Bei hoher Hubfrequenz der Kolbenstange 120 ist der durch die Bohrung 126 hervorgerufene, geringe Leckverlust vernachlässigbar.

Die Vorrichtung 100 (Fig. 1) bzw. 200 (Fig. 4) arbeitet in einem Bereich solarer Einstrahlung von 80 bis 1000 W/m² mit nahezu gleichem Gesamtwirkungsgrad.

Bezugszeichenliste

100

Vorrichtung

101

Solargenerator

102

Steuergerät

103

Motor

104

Nebenstromleitung

105

Schwungrad

106

Untersetzungsgetriebe

107

Kühlmantel

108

Pumpe

109

Windkessel

110

Gestänge

111

Hauptstromleitung

112

Brunnen

113

Schieber

114

Hochbehälter

115

Rad

116

Rahmen

117

Kurbel

118

Pleuel

119

Schwenkarm

120

Kolbenstange

121

Stutzen

122

Dach

123

Eintrittsventil

124

Austrittsventil

125

Feder

126

Bohrung

200

Vorrichtung

206

Untersetzungsgetriebe

215

Rad

216

Rahmen

218

Pleuel

219

Schwenkarm.

Claims

1. Vorrichtung mit solarer, photovoltaischer Energieversorgung zur Förderung von Wasser aus Tiefen bzw. auf Förderhöhen von 15 m bis 100 m, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (100) einen Solargenerator (101), ein Steuergerät (102), einen Gleichstrommotor als Motor (103) der Vorrichtung und eine Hubkolbenpumpe als Pumpe (108) umfaßt, und in einem Bereich solarer Einstrahlung von 80 bis 1000 W/m² mit nahezu gleichem Gesamtwirkungsgrad arbeitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar über der Pumpe (108) ein Windkessel (109) zur Bedämpfung der von der Pumpfrequenz hervorgerufenen dynamischen Druckschwankungen angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle des Motors (103) ein Schwungrad (105) sitzt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlmantel (107) des Motors (103) von einem Teil des von der Pumpe (108) geförderten Wassers zur Abführung der Verlustwärme des Motors (103) durchströmt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Konstanthaltung des Antriebsmoments und Begrenzung der Drehzahl des Motors (103) der Kurbelwellenradius der Anlenkung des Pleuels (118; 218) entsprechend der mittleren Förderhöhe verstellbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Pumpe (108) eine als Rückholfeder wirkende Feder (125) vorgesehen ist, welche die Abwärtsbewegung der Kolbenstange (120) im Leerhub der Pumpe (108) unterstützt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mitlaufender Luftverdichter zur Aufrechterhaltung des Luftvorrats im Windkessel (109) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine handbetätigte Luftpumpe zur Aufrechterhaltung des Luftvorrats im Windkessel (109) vorgesehen ist.