| Das Projekt (Aktenzeichen: 12525/ ) |
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Das Projektziel besteht darin, eine Unterwasser-Motorpumpe zu entwickeln, die für den photovoltaischen Einsatz geeignet ist. Durch die Kombination einer Pumpe mit einem Asynchronmotor, der über einen integrierten Wechselrichter betrieben wird, ist es möglich, ein wartungsarmes und laufruhiges Gerät zu entwickeln, das mit Gleichspannung aus Solarmodulen (regenerative Energie) betrieben werden kann. Die auf dem Markt befindlichen Unterwasser-Motorpumpen haben aufgrund der hierbei verwendeten Technologie eine kurze Standzeit. Es handelt sich bei diesen Pumpen um Systeme mit Kohlebürstenmotoren, die oftmals für Totalausfälle verantwortlich sind und oft zu einem Verlust des Gesamtsystems führen.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Die Entwicklung wird in drei 4-monatige Phasen unterteilt. In der Voruntersuchungsphase werden ausgesuchte Motoren an eine neuartige Pentaflex-Pumpe (5 Kolben) adaptiert. Ein erster Entwurfsschaltplan wird erarbeitet und anhand eines Testaufbaus auf Funktionalität überprüft.
Die zweite Phase beinhaltet die Erstellung technischer Zeichnungen, die Gehäuse- und Pumpenkopfherstellung und die mechanische Kopplung zwischen Antrieb und Pumpe. Der Pumpenkopf dient zur Aufnahme der Ventile, der Kolben und der Mechanik. Um eine Drehbewegung in eine Hubbewegung umzusetzen, wird eine Taumelscheibe eingesetzt. Zu Testzwecken wird die Pumpe wasserdicht verschlossen und über ein Kabel mit der noch extern befindlichen Versuchselektronik verbunden. So ist es möglich über Softwareanpassungen Optimierungen durchzuführen.
In der dritten Phase entsteht der Prototyp. Es werden die Erfahrungen aus den Tests der ersten und zweiten Phase bei der Herstellung berücksichtigt und systematisch eingebunden. Nach außen verhält sich die Pumpe wie ein Gleichstromverbraucher mit zusätzlichen intelligenten Funktionen. So wird z. B. die Solarmodulspannung konstant gehalten, während der Motor über eine Rampenfunktion langsam anläuft; dies wird durch eine PWM Steuerung erreicht. Weitere in Experimenten zu ermittelnde Maßnahmen zur Anpassung von Motor und Steuerung optimieren den Betrieb.
Ergebnisse und Diskussion
Umfangreiche Versuche mit unterschiedlichen Motoren und der vorgesehenen Pentaflex-Pumpe bestätigten die Theorie, daß handelsübliche Asynchron-Drehstrommotoren effektiv in Verbindung mit Verdrängerpumpen eingesetzt werden können. Voraussetzung ist eine Invertersteuerung mit Controller. Die in diesem Projekt verwendete Controllerversion erfüllt alle notwendigen Bedingungen die für einen störungsfreien und effektiven Betrieb notwendig sind. Ein aufwendiges Softwareprogramm sorgt für die Erzeugung einer frequenzvariablen 3-phasen Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation. So ist es möglich bei unterschiedlichen Frequenzen die notwendige Frequenz-Amplituden-Modulation vorzunehmen. Die gesamte Steuerung ist in SMD-Technik aufgebaut und in die Pumpe integriert. Als Stellgröße dient die Solargeneratorspannung. Ausgehend von Standardmodulen, die eine MPP Spannung von ~ 17 VDC aufweisen, wird durch eine Serienschaltung die notwendige Mindestspannung von 34 VDC aufgebaut. Die Ausgangsspannung eines Solarmoduls verhält sich im Gegensatz zum linear mit der Einstrahlungsintensität steigenden Ausgangsstrom exponentiell. D. h. auch bei geringer Einstrahlung steht die maximale Klemmenspannung zur Verfügung, nicht aber der Strom, der mit der Lichtintensität steigt. Diese Merkmale sind bei der Entwicklung berücksichtigt worden. Bei geringer Sonneneinstrahlung wird die maximale Spannung des Generators aufgebaut und das System in Betriebsbereitschaft versetzt. Mit zunehmender Einstrahlungsintensität steigen Drehmoment und Drehzahl der Pumpe und damit die Leistung. Durch die gezielte Auswahl von Bauteilen nimmt die gesamte Schaltung nur einen Strom von ca. 30 mA auf und durch die Verwendung von sogenannten Power-Mos-Fet Transistoren entstehen sehr geringe Schaltverluste. Der Wirkungsgrad des Inverters beträgt im Mittel 93%. Der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe beträgt maximal 40% und liegt hiermit im Vergleich zu anderen handelsüblichen Solarpumpen in der Spitzengruppe. Die Pumpe ist relativ unempfindlich gegen Schmutz und feinen Sand. Größere Körnungen werden durch einen Ansaugfilter abgehalten. Die Ventile bestehen aus BUNA N, einem robusten Kunstkautschuk und die Membran aus Viton, einem hochflexiblen druckfesten Kunststoff. Die Druckhöhe wurde auf 120 m (12 bar) und die Drehzahl auf 2700 U/min. begrenzt. Damit wird die Standzeit der Membranen, Kolben und Ventile verlängert.
Im Anschluß sind weitere Ergebnisse in Kurzform aufgeführt.
1. Der Betrieb erfolgt solardirekt, d. h. ohne zusätzliche Pufferspeicher. Die integrierte Steuerung übernimmt die Anpassung zwischen Solarmodul und dem Motor.
2. Durch eine Quasi-MPP-Regelung wird der Solargenerator optimal ausgenutzt.
3. Die Frequenz-Amplituden-Modulation läßt einen großen Drehzahlbetriebsbereich zu. Der DSP-Controller berechnet permanent die Modulationsgrößen in Abhängigkeit zum Energieangebot.
4. Eine interne Übertemperaturerfassung von Motor und Elektronik begrenzt die Pumpenleistung.
5. Die in der Software abgelegte Tabelle über zulässige Stromaufnahmen im Verhältnis zur Drehzahl und Druckhöhe, die in Versuchen ermittelt wurden, ersetzen das bei Membranpumpen notwendige Bypaßventil und schalten die Pumpe bei Überstrom sicher ab.
6. Zusätzliche Analogmeßeingänge stehen für weitere Signale wie z.B. Druckgeber zur Verfügung.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Der Prototyp wurde der Fa. Flojet und der Fa. SHURflo vorgestellt. Beide Firmen sind in Kalifornien USA ansässig und besitzen Zweigstellen in Europa. Die Fa. Flojet hat bereits Bedarf angekündigt. Weiterhin sind Vorstellungen im Rahmen von Messen geplant und eine Annonce in dem weltweit erscheinenden Magazin RENEWABLE ENERGIE WORLD für das Frühjahr 2000 in Vorbereitung. Im März 2000 ist eine Teilnahme an der Messe Oceanology International OI2000 in Brighton England geplant, die unter anderem auch den Bereich erneuerbare Energien und Pumpen vorstellt.
Fazit
Durch die Fehlentscheidung bezüglich der Auswahl eines Mikrocontrollers, der nach Beendigung der Rahmenprogrammierung nicht mehr lieferbar war und sich darüber hinaus auch als ungeeignet erwies, der aufwendigen Selektion eines passenden Motors und Verzögerungen bei dem Projektpartner ZRA, konnte die Projektlaufzeit nicht eingehalten werden und verzögerte sich um ca. 3 Monate.
Vor der Markteinführung, die für das Frühjahr 2000 geplant ist, sind noch weitere Tests notwendig, bei denen sich neben Standzeiten, Dauerlaufeigenschaften und Wartungsfähigkeit auch die Materialauswahl bestätigen müssen. Zur Zeit ist ein Dauerlauftest in Betrieb bei dem die Eigenschaften der Hydraulik betrachtet werden. |
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Projektkennblatt | Dateigröße: 0.03 MB | Zuletzt geändert: 11.08.2009