DE2744952A1

DE2744952A1 - Solare pumpanlage zum pumpen von fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2744952A1
Application number: DE19772744952
Authority: DE
Inventors: Albert Dipl Ing Seidel; Dietmar Dipl Ing Wolf
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1977-10-06
Filing date: 1977-10-06
Publication date: 1979-04-12
Also published as: IT7828401A0; FR2405379A1; DE2744952C2; US4439111A; FR2405379B1; IT1099230B

Description

Solare Pumpanlage zum Pumpen von Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft eine solare Pumpanlage zum Pumpen von Flüssigkeiten mit einem Kollektor zum Auffangen des Sonnenlichts .

Solare Pumpanlagen dienen z.B. dazu, in den Trockengebieten der Erde Grundwasser zur Bewässerung von Böden oder auch als Trinkwasser an die Oberfläche zu fördern. Eine zu diesem Zweck konstruierte Solar-Pumpe ist aus der US-PS 2 688 923 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, die Sonneneinstrahlung über einen Reflektor auf zwei im Brennpunkt des Reflektors angeordnete Boiler zu konzentrieren, um darin Wasser zu verdampfen und mit diesem Dampfdruck unterhalb der Erdoberfläche angeordnete Saugpumpen zu betreiben. Bei dieser Anlage ist es erforderlich, daß zwei getrennte unterirdische Pumpkammern vorgesehen sind, die jeweils mit einem von zwei in dem Reflektor angeordneten Boilern verbunden sind. Um die bei Wasserdampf hohe Gefahr des Auskondensierens zu vermeiden, sind die Pumpleitungen und die Pumpen selbst gut abisoliert. Außerdem sind Steigleitungen vorgesehen, welche die Verdrängung des zum Verdampfen bestimmten Betriebswassers von einem Boiler in den anderen gewährleisten sollen.

Wegen der Gefahr des Auskondensierens des Betriebswassers im Bohrloch und wegen des hohen apparativen Aufbaus, so sind z.B,

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für die Grundausführung der Pumpe mehrere Ventile, Schlauchleitungen und der bereits erwähnte Reflektor mit einem Schwenkmechanismus notwendig, kann diese Anlage jedoch nicht die Anforderungen an Einfachheit, Wartungsfreiheit und Kompaktheit, die an solche Anlagen gerade in den sonnenreichen Gebieten der Erde und damit überwiegend in den Entwicklungszonen gestellt werden, erfüllen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine solare Pumpanlage zu schaffen, welche im wesentlichen ohne mechanisch bewegte Teile auskommt und ein Minimum an Wartung erfordert, bei der nicht mehr die Gefahr des Auskondensierens besteht, so daß teure Isolationen von Brunnenloch und Pumpe vermieden werden, die aber andererseits in der Lage ist, in zufriedenstellendem Maße Flüssigkeit zu heben.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der Kollektor mit Metallhydrid gefüllte Kammern aufweist, in denen infolge der Sonneneinstrahlung Wasserstoff abscheidbar ist, daß der Wasserstoff über eine Druckleitung zu einem unterhalb des Spiegels der zu pumpenden Flüssigkeit angeordneten, in einer Pumpkammer eingebauten Verdränger leitbar ist, daß die Pumpkammer mit einem Saugventil und einem eine Steigleitung freigebenden Druckventil ausgerüstet ist, daß der Kollektor zwischen einem oberen an der Steigleitung angeschlossenen und einem unteren Flüssigkeitsbehälter angeordnet ist, und daß deren Flüssigkeitsüberlauf über den Kollektor steuerbar ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß ein leistungsfähiges Pumpsystem zur Verfügung gestellt wird, das zu relativ niedrigen Kosten herstellbar ist, das wegen des Fehlens bewegter Teile nahezu wartungsfrei arbeiten kann, und das eine Vielzahl von Kombinationen ermöglicht,d.h. daß nach dem Baukastensystem je nach Bedarf größere oder kleinere Anlagen

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geschaffen werden können, ohne daß sich die Kostennutzenrelation nachteilig ändern würde.

Nachfolgend ist die Erfindung zum besseren Verständnis anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Grundsystem der solaren Pumpanlage mit einem Kollektor;

Fig. 2 das grundsätzliche Verhalten eines Metallhydrids;

Fig. 3 die Pumpkammer in der Ausführungsform mit Wasserverdrängung von außen nach innen;

Fig. 4 eine Anlage mit mehreren Kollektoren und Pumpkammern;

Fig. 5 eine Ausführungsform des mit Metallhydrid gefüllten Kollektors.

Gemäß Fig. 1 besteht die solare Pumpanlage im wesentlichen aus einem mit Metallhydrid gefüllten Kollektor 10 (sh. auch Fig.5), einem oberen und unteren Wasserbehälter 11,12 und einer in einem Bohrloch 14 eingebrachten Pumpkammer 13. In der Pumpkammer 13 ist eine aufblasbare Blase 15, in welche eine Druckleitung 16 einmündet, angeordnet. Die Pumpkammer ihrerseits ist über eine Steigleitung 17 mit dem oberen Wasserbehälter 11 verbunden.

Wie aus der Figur ersichtlich, ist die Pumpkammer 13 unterhalb des Grundwasserspiegels angeordnet und mit einem Saugventil 19 und einem Druckventil 18 ausgerüstet. Das am Boden der Pump— kammer angeordnete Saugventil dient dem Einlaß des zu pumpenden Wassers, während das die Steigleitung freigebende Druckventil die Pumpkammer während der Saugphase abschließt.

Vom oberen Wasserbehälter 11 führt eine Kühlwasserleitung 20 zum Kollektor 10. Der Kollektor IO kann von dieser Leitung über

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ein Ventil 21 abgesperrt werden. Am unteren Ende des Kollektors 10 ist eine Rinne 22 angebracht, über welche das über den Kollektor fließende Wasser zum unteren Wasserbehälter 12 abströmen kann. Druckleitung 16 und Kollektor 10 können ebenfalls durch ein Ventil 23 unterbrochen werden. Schließlich ist noch eine Abschirmung 24 vorgesehen, welche es ermöglicht, wahlweise das Sonnenlicht auf den Kollektor auffallen zu lassen oder den Kollektor abzuschirmen.

Bevor ein Pumpzyklus der Anlage detailliert beschrieben wird, soll zum besseren Verständnis zunächst auf das in Fig. 2 dargestellte grundsätzliche Verhalten eines Metallhydrids eingegangen werden.

Das Metall oder die Legierung ist in der Lage, bei niedriger Temperatur T,,, also im gekühlten Zustand der Kollektoren und niedrigem Druck P^ Viasserstoff zu absorbieren, solange bis ein Sättigungszustand erreicht ist. Die dabei abzuführende Wärme wird durch das bereits gepumpte Grundwasser aus dem oberen Wasserbehälter 11 abtransportiert. Wird dem gesättigten Metallhydrid Wärme zugeführt, wobei die Temperatur steigt, dann erhöht sich der Druck des Wasserstoffs und dieser wird bei dem höheren Temperaturniveau T-^T.. und ständiger Wärmezufuhr durch die Sonneneinstrahlung praktisch wieder vollständig abgegeben, solange bis kein Wasserstoff mehr desorbiert wird.

Das zu verwendende Metallhydrid muß je nach Temperatur des Grundwassers, welche den niedrigst möglichen Druck des Wasserstoffs im Kollektor bei dessen Kühlung festlegt und nach der erforderlichen Förderhöhe H des Wassers ausgewählt werden. Beispiele solcher Metalle und Legierungen sind: Ti, Mg, FeTi, FeTiMg, LaNi₅, Mischmetall Ni₅, SmCo₅, Mischungen dieser Metalle u.a..

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Ein Pumpzyklus der Anlage nach Fig. 1 läuft nun folgendermaßen ab: Wenn der mit Metallhydrid gefüllte Kollektor 10 (sh. auch Fig. 5) durch die Kollektorabschirmung 24 bzw. überfließendes Wasser gekühlt ist, herrscht in ihm ein niedriger H„-Druck. In diesem Zustand füllt sich der Raum zwischen der Blase 15 und der VJand der Pumpkammer 13 über das Saugventil 19 infolge des Drucks des Grundwassers auf. Der Druck des Grundwassers kommt im einfachsten Fall dadurch zustande, daß die Pumpkammer weit genug unter dem Grundwasserspiegel angeordnet ist. Die Pumpkammer füllt sich solange mit Wasser, bis die Blase die H„-Leitung 16 eng umschließt. Jetzt wird die Kühlung des Kollektors 10 abgestellt und die Abschirmung 24 weggenommen. Durch die Wärmezufuhr der Sonneneinstrahlung steigt die Temperatur des Metallhydrids, damit der H„-Druck,und durch die fortgesetzte Wärmezufuhr entweicht das H« aus dem Hydrid und strömt durch die Leitung 16 in das Innere der Blase 15. Die Blase 15 dehnt sich solange aus, bis sie vollständig an der Innenwand der Pumpkammer anliegt. Während dieser Phase schließt sich das Saugventil 19 selbständig und das verdrängte Wasser strömt durch das Druckventil 18 und die Wassersteigleitung 17 in den oberen Wasserbehälter 11. Hiernach wird der Kollektor mit der Abschirmung 24 abgeschaltet und das Ventil 21 der Kühlwasserleitung 20 geöffnet. Nun strömt das gepumpte VJasser über den Kollektor und das Hydrid im Kollektor kühlt sich ab. Dadurch sinkt der H„-Druck und der in der Blase befindliche Wasserstoff wird wieder von dem fast leeren Hydrid absorbiert. Durch das Absinken des H„-Drucks schließt sich das Druckventil 18 selbständig und nach weiterem Absinken des H„-Drucks öffnet sich das Saugventil 19 unter der Wirkung des Grundwasserdrucks- wieder. Der ganze Vorgang beginnt von neuem.

Fig. 3 zeigt die Pumpkammer 30 in einer Ausführungsform mit Wasserverdrängung von außen nach innen. In dieser Ausführungsform dringt der Wasserstoff über eine Leitung 32 in die Pumpkammer 30 ein und wirkt auf die Blase 31. Die Blase ihrerseits umschließt ein Rohr 37, welches mit Austrittsöffnungen 38 ver-

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sehen ist. Im Saugzustand tritt das zu pumpende Wasser durch ein Sieb 36 und ein Saugventil 35 in die von der Blase 31 definierte Pumpkammer ein. Bei Erhöhung des Wasserstoffdruckes wird die Blase 31 zusammengedrückt und das aufgesogene Wasser tritt über ein Ventil 34 wieder aus und gelangt, wie bereits in Fig. 1 dargestellt, zum oberen Wasserbehälter.

Die aufblasbare Blase kann in allen Ausführungsformen aus geeignetem Material, wie z.B. verschiedene Gummisorten, Polyäthylen, Perbunan usw. gefertigt sein. Voraussetzung ist lediglich, daß der Werkstoff genügend biegsam und wasserstoffdicht ist. Selbstverständlich kann statt einer Blase auch ge— nausogut ein mit Dichtringen versehener Kolben verwendet werden o.a.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie mit Elementen der Erfindung ein alternierender Betrieb, d.h. eine Vergleichmäßigung des Wasserpumpvorganges erreicht werden kann, bzw. eine größere Menge Wassers in der gleichen Zeiteinheit gepumpt werden kann.

Hierzu wird mit zwei (oder auch mehreren) Systemen aus Hydridgefüllten Kollektoren 10*, 10" usw. gearbeitet, wobei der eine Kollektor 10* gekühlt wird und somit H_ absorbiert, während der andere Kollektor solar aufgeheizt wird und somit H„ desorbiert und Wasser pumpt.

Die Blase 5' ist dementsprechend nahezu zusammengefaltet, während die Blase 5" fast völlig ausgedehnt ist. Die Leitungen 6 bzw. 6' stellen die H„-Zuleitungen dar. An den Unterseiten der Kammern 4 sind die bereits näher beschriebenen Saugventile 9¹ , 9" für den Eintritt des Grundwassers angebracht .

Im Ausführungsbeispiel ist für die Pumpkammern 4¹, 4" eine gemeinsame, durch Ventile 8*, 8" betätigte Steigleitung 7 vor-

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gesehen. Natürlich kann ebensogut auch für jede Pumpkammer eine eigene Steigleitung vorgesehen sein. Ebenso selbstverständlich ist es, entweder beide oder auch mehrere Kammern 4 in einem gemeinsamen Bohrloch oder in jeweils eigenen Bohrlöchern unterzubringen. Weiterhin kann ein gemeinsamer oberer Wasserbehälter für alle zu kühlenden Kollektoren vorgesehen sein oder aber Gruppen von Behältern für jeweils Gruppen von Kollektoren.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform eines mit einem Metallhydrid gefüllten Flachkollektors. Da die obere Temperatur des Hydrids für die Desorption des H Vierte von 70 bis 80⁰C nicht übersteigt, ist der Kollektor als Flachkollektor mit Glasabdeckung (einfach oder doppelt),wie von anderen Anwendungen her bekannt, ausgebildet. Der Unterschied zu anderen Solarkollektoren besteht darin, daß anstelle von Rohren o.a. zur Aufnahme des flüssigen Wärmeträgermediums Kammern für die Aufnahme des festen Metallhydrids vorgesehen sind. Der in Fig. 5 dargestellte Schnitt durch eine Ausführungsform läßt erkennen, daß Rippenrohre 56,in denen die Hydridfüllung 57 eingebracht ist, mit einem Kühlwasserkanal 58 ausgerüstet sind. Auf diese Weise kann wahlweise entweder die Oberseite der Rippenrohre oder aber die Kanäle oder aber auch beide Möglichkeiten gemeinsam zur Kühlung genutzt werden. Die Rippenrohre sind rückseitig in eine Schaumisolation 50 eingebettet. Ein oder zwei Deckgläser verbessern, wenn erforderlich, den Wirkungsgrad des Kollektors auf bekannte Weise. Sehr nützlich ist es auch, die Vorderseite der Kollektorrohre mit einer schwarzen Absorptionsschicht zu überziehen. Die ganze Konstruktion nimmt ein Rahmen 59 auf.

Wie aus der Beschreibung ersichtlich, kann die Anlage auch zum Pumpen anderer geeigneter Flüssigkeiten bzw. Wasser aus anderen Quellen, beispielsweise einem Reservoir, eingesetzt werden. Dazu ist es lediglich erforderlich, die Pumpkammer in das Flüssigkeitsvolumen, aus dem gepumpt werden soll, tief genug einzusetzen.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Solare Pumpanlage zum Pumpen von Flüssigkeiten mit einem Kollektor zum Auffangen des Sonnenlichts, dadurch gekennzeichnet , daß der Kollektor (10) mit Metallhydrid gefüllte Kammern (56 und 57) aufweist, in denen infolge der Sonneneinstrahlung Wasserstoff ab- . scheidbar ist, daß der Wasserstoff über eine Druckleitung (16) zu einem unterhalb des Spiegels der zu
pumpenden Flüssigkeit angeordneten, in einer Pumpkammer (13) eingebauten Verdränger (15) leitbar ist, daß

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die Pumpkammer (13) mit einem Saugventil (19) und einem eine Steigleitung (17) freigebenden Druckventil (18) ausgerüstet ist, daß der Kollektor (10) zwischen einem oberen an der Steigleitung angeschlossenen und einem unteren Flüssigkeitsbehälter (11,12) angeordnet ist, und daß deren Flüssigkeitsüberlauf über den Kollektor steuerbar ist.
2. Solare Pumpanlage zum Pumpen von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet , daß der Verdränger eine aufblasbare Blase ist.
3. Solare Pumpanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Saug- und Druckventil außerhalb der Blase an der Pumpkammer angeordnet sind.
4. Solare Pumpanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß Saug- und Druckventil von der Blase umschlossen sind und die Druckleitung(16) in die Pumpkammer einmündet.
5. Solare Pumpanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Metallhydrid vorzugsweise aus einer der folgenden Legierungen besteht: FeTi, oder FeTiMg, oder FeTiMn, oder TiV oder LaNi₅, oder Mischmetall Ni,-, oder SmCo,-.
6. Solare Pumpanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere Pumpkammern, Druckleitungen, Steigleitungen, obere und untere Flüssigkeitsbehälter und Kollektoren vorgesehen sind.
7. Solare Pumpanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Kollektoren mit rückziehbaren Abschirmungen (24) ausgerüstet sind.

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8. Solare Pumpanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammern in den Kollektoren mit Metallhydrid gefüllte Körper sind, in denen mindestens ein Kühlkanal (58) verläuft.
9. Solare Pumpanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammern als Rippenrohre ausgebildet sind.
10. Solare Pumpanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die gepumpte Flüssigkeit über die Oberseite der Kammern führbar ist.
11. Solare Pumpanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die gepumpte Flüssigkeit über die Ober- und Unterseite der Kammern oder über die Ober- und Unterseite und durch den Kühlkanal führbar ist.
12. Solare Pumpanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Kollektoren so gesteuert werden, daß ein Kollektor Sonneneinstrahlung empfängt, während der nächste abgeschirmt wird, bzw. durch das gepumpte Medium gekühlt wird.

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