Solarbetriebene DC-Wasserpumpe designen: Schritt-für-Schritt-Anleitung

Leitfaden zum Design einer solarphotovoltaisch betriebenen DC-Wasserpumpe

Typisches Design einer solarbetriebenen DC-Motorpumpe

Die einfachste PV-Anlage, die man designen kann, ist die direkte Verbindung von einem oder mehreren PV-Modulen mit der DC-Last – wie in Abbildung 1 unten dargestellt.

Die Gesamtkapazität der Module reicht nur für Stromversorgung während der Sonnenstunden. Keine spezielle Einrichtung für maximale Modulausnutzung durch MPP-Tracking mit Laderegler über den Tag. Keine Backup-Batterie für Nachtbetrieb. Ein solches ungeregelter System eignet sich eher für häusliche Anwendungen wie Wasserförderung mit DC-Motorpumpe.

Wie erwähnt, kann so ein System für Wasserförderung, besonders in der Bewässerung, genutzt werden. Wenn Wasser nachts gebraucht wird, kann die in der Batterie gespeicherte Energie genutzt werden. Aber Batterien laden nur tagsüber bei Sonnenschein.

Warum also Batterien laden, wenn wir die verfügbare Solarenergie direkt während der Sonnenstunden zum Pumpen nutzen können? Batterien sind nicht billig und erfordern Leistungselektronik wie Laderegler, was Kosten erhöht. Durch direkte Nutzung der Solarenergie tagsüber zum Pumpen entfallen Kosten und Platzbedarf für Batterie und Laderegler in dieser Inselanlage.

Das Design ist sehr einfach: Leistung und Spannung des PV-Moduls an den DC-Pumpenmotor anpassen, damit die Pumpe bei Sonneneinstrahlung Wasser fördert und in den Tank speichert. Ein solches System lässt sich auch für AC-Motoren verschiedener Leistungsstufen designen, die am Markt erhältlich sind.

Eine AC-Motorpumpe erfordert jedoch einen Wechselrichter (DC–AC), um den vom PV-Modul erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom für den Motor umzuwandeln. Auch die Wechselrichter-Leistung muss passend zum AC-Motor und PV-Modul dimensioniert sein.

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Anforderungen an eine solarbetriebene DC-Wasserpumpe

Bevor wir mit dem Systemdesign für Wasserförderung beginnen, ist es wichtig, einige Begriffe zu verstehen, die eng mit dem Design einer solchen Inselanlage zusammenhängen.

1. Täglicher Wasserbedarf (m³/Tag): Kann täglich, monatlich, saisonal variieren. Die tägliche Wassermenge bestimmt Kosten und Systemgröße. Bei täglicher Schwankung kann Wochen- oder Monatsmittel für Designberechnung herangezogen werden. Aber maximaler Wasserbedarf sollte berücksichtigt werden, da ein System, das Spitzenbedarf deckt, auch regulären Bedarf deckt.
2. Gesamtdynamischer Förderkopf (TDH) (Meter): Wichtigster Parameter für Pumpenanlagen-Design. Effektiver Druck, bei dem die Wasserpumpe arbeiten muss, gemessen in Metern. Zwei Teilparameter: Gesamte vertikale Förderhöhe und gesamte Reibungsverluste. Die gesamte vertikale Förderhöhe ist die Summe von drei Parametern (Abb. 3): Geländehöhe, statischer Wasserspiegel und Absenkung.

• Geländehöhe: Höhenunterschied zwischen Bezugspunkten – zwischen Boden und Höhe, in der Wasser ausgetragen wird.
• Statischer Wasserspiegel: Unterschied zwischen Wasserspiegel im Brunnen und Geländeoberfläche.
• Absenkung: Höhenmaß, um das der Wasserspiegel durch Entnahme absinkt.

3. Reibungsverluste (Meter): Druck, um Reibung in der Rohrleitung zwischen Pumpenausgang und Wasserauslass zu überwinden. Wird zur gesamten vertikalen Höhe addiert für TDH, gemessen in Metern. Mehrere Faktoren: Rohrdurchmesser, Armaturenart, Luft in Rohr, Anzahl Bögen, Durchfluss etc. Liegt Austrittsort nah am Brunnen (z. B. innerhalb 10 m), wird Näherungswert für Reibungsverlust genutzt. Beispiel: Austrittsort innerhalb 10 m vom Brunnen → 5 % der gesamten vertikalen Förderhöhe als Reibungsverlust.

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Schritte zum Design einer photovoltaisch betriebenen DC-Wasserpumpe

Alle oben genannten Parameter sind nützlich für das Design eines Wasserfördersystems mit Solar-PV-Modulen. Sehen wir, wie diese Parameter und Schritte für ein solches Insel-System nutzbar sind. Das Systemdesign lässt sich in fünf Schritte gliedern:

• Schritt 1: Täglichen Wasserbedarf in (m³/Tag) bestimmen
• Schritt 2: Gesamtdynamischen Förderkopf (TDH) für Wasserförderung berechnen
• Schritt 3: Gesamte hydraulische Energie pro Tag (Wattstunden/Tag) für Wasserförderung berechnen
• Schritt 4: Verfügbare Solarstrahlung am Standort berechnen
• Schritt 5: Größe und Anzahl der PV-Module, Motornennleistung, Wirkungsgrad und Verluste berechnen

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Beispiel & Berechnung für Design einer solarbetriebenen DC-Wasserpumpe

Zur Verdeutlichung: Designbeispiel, wir benötigen 50 m³ Wasser pro Tag aus 20 m Tiefe. Geländehöhe, statischer Wasserspiegel und Absenkung betragen 10 m, 10 m und 4 m.

Wasserdichte 2000 kg/m³, Erdbeschleunigung (g) 9,8 m/s². Spitzenleistung des Solarmoduls 36 W_P, da Module nicht mit Nennspitzenleistung arbeiten: Betriebsfaktor 0,75. Pumpwirkungsgrad ca. 40 %, Mismatch-Faktor 0,85 da Module nicht am MPP arbeiten.

Hinweis: Mismatch-Faktor sollte 1 sein, wenn MPPT mit Laderegler genutzt wird. In unserem Fall 0,85 da PV-Module direkt an DC-Pumpenmotor angeschlossen sind.

Schritt 1: Täglichen Wasserbedarf in (m³/Tag) bestimmen

Täglicher Wasserbedarf = 50 m³/Tag

Schritt 2: Gesamtdynamischen Förderkopf (TDH) für Wasserförderung berechnen.

Gesamte vertikale Förderhöhe = Geländehöhe + Statischer Wasserspiegel + Absenkung

Gesamte vertikale Förderhöhe = 10 m + 10 m + 4 m = 24 m

Reibungsverlust = 5 % der gesamten vertikalen Förderhöhe = 24 × 0,05 = 1,2 m

Gesamtdynamischer Förderkopf (TDH) = Gesamte vertikale Förderhöhe + Reibungsverlust

Gesamtdynamischer Förderkopf (TDH) = 24 m + 1,2 m = 25,2 m

Schritt 3: Gesamte hydraulische Energie pro Tag (Wattstunden/Tag) für Wasserförderung berechnen.

Benötigte hydraulische Energie = Masse × g × TDH

Benötigte hydraulische Energie = Dichte × Volumen × g × TDH

Benötigte hydraulische Energie = 2000 kg/m³ × 50 m³/Tag × 9,8 m/s² × 25,2 m = 6860 Wh/Tag

Schritt 4: Verfügbare Solarstrahlung am Standort berechnen.

Verfügbare Solarstrahlung am Standort (Anzahl Spitzen-Sonnenstunden pro Tag) = 6 h/Tag (1000 W/m² äquivalent)

Spitzen-Sonnenstunden werden am häufigsten genutzt, da sie Berechnungen vereinfachen. Nicht verwechseln mit „Mittlere Sonnenstunden“ und „Spitzen-Sonnenstunden“, die Sie vom meteorologischen Dienst erhalten. „Mittlere Sonnenstunden“ geben die Stunden an, in denen die Sonne schien, während „Spitzen-Sonnenstunden“ die Stunden angeben, in denen die tatsächliche Energiemenge in kWh/m²/Tag empfangen wurde.

Schritt 5: Größe und Anzahl der PV-Module, Motornennleistung, Wirkungsgrad und Verluste berechnen.

Gesamtleistung PV-Panel = Gesamte hydraulische Energie / Anzahl Spitzen-Sonnenstunden pro Tag

Gesamtleistung PV-Panel = 6860 / 6 = 1143,33 W

Gesamtleistung PV-Panel unter Berücksichtigung Systemverluste = Gesamtleistung PV-Panel / (Pumpwirkungsgrad × Mismatch-Faktor)

Gesamtleistung PV-Panel unter Berücksichtigung Systemverluste = 1143,33 / (0,40 × 0,85) = 3362,73 W

Gesamtleistung PV-Panel unter Berücksichtigung Betriebsfaktor des PV-Moduls = Gesamtleistung PV-Panel unter Berücksichtigung Systemverluste / Betriebsfaktor

Gesamtleistung PV-Panel unter Berücksichtigung Betriebsfaktor des PV-Moduls = 3362,73 / 0,75 = 4483,64 W

Anzahl PV-Paneele à 36 W_P = Gesamtleistung PV-Panel unter Berücksichtigung Betriebsfaktor des PV-Moduls / 36

Anzahl PV-Paneele à 36 W_P = 4483,64 / 36 = 124,54 = (125 gerundet)

Nennleistung DC-Motor = Gesamtleistung PV-Panel unter Berücksichtigung Betriebsfaktor des PV-Moduls / 746 W (d.h. 1 PS) = 6,0102 PS Motor = (7 PS gerundet)

Die Anordnung der Paneele in Reihe und Parallel kann basierend auf Spannungs- und Stromwerten des Moduls und des DC-Motors erfolgen. Ein solches System lässt sich auch mit MPPT-Schaltung und Wechselrichter für AC-Motor designen, aber Wirkungsgrad und Nennleistung müssen bei der Systemauslegung berücksichtigt werden.

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Fazit

Wir untersuchten einen einfachen und ökonomischen Ansatz zum Design einer solar-PV-basierten DC-Wasserförderung mit begrenzten Komponenten, ohne Batterie- und Reglererfordernis. Wir studierten grundlegende Begriffe zur Wasserförderung und detaillierte Designberechnungen für die Förderung der benötigten Wassermenge für Bewässerungszwecke. Ein solches System lässt sich auch mit AC-Motor designen und auf häuslicher,住宅 und gewerblicher Ebene implementieren.