Technisches Datenblatt

Hybrides solares Pumpen
LORENTZ PSk

Die Baureihe PSk lässt das Photovoltaikfeld und eine zweite Energiequelle gemeinsam arbeiten, an derselben Pumpe und im Dauerbetrieb. Beim PSk3 sitzt der Wechselstromeingang im Regler selbst, für Systeme mit 8,3 und 16 kVA. Darüber erhält der PSk2 dieselbe Fähigkeit über den smartPSUk2, bis hin zu Reglern mit 100 kWp Solareingang und 75 kW Motorleistung. Der smartStart ergänzt sie um die automatische Ansteuerung des Generators.

Fortlaufende Mischung beider Quellen PSk3: integrierter AC-Eingang PSk2 + smartPSUk2 Tag und Nacht
Das Prinzip

Beide Quellen speisen denselben Zwischenkreis, die Sonne zuerst

Ein hybrides PSk-System besitzt eine einzige Leistungselektronik und einen einzigen Motor. Das Photovoltaikfeld und die Wechselstromquelle münden in denselben Gleichspannungszwischenkreis, denjenigen, der den Pumpenregler speist. Die Datenblätter des smartPSUk2 beschreiben das Verhalten in einem Satz: Das System kombiniert die Energie fortlaufend, sodass der nicht solaren Quelle nur die tatsächlich benötigte Menge entnommen wird.

Die praktische Folge lässt sich in drei Punkten fassen. Die Photovoltaik behält den Vorrang und liefert in jedem Augenblick das, was sie kann, je nach Einstrahlung. Die zweite Quelle bringt die Ergänzung, sofort und in Höhe des Fehlbetrags. Der geforderte Förderstrom oder Druck wird gehalten, während der Beitrag von außen von Minute zu Minute schwankt, gegenläufig zur Sonne.

An einem ans Netz angeschlossenen Standort läuft das darauf hinaus, Kilowattstunden aus der Reserve nur während der Einstrahlungslücken und der sonnenlosen Stunden zu beziehen. An einem Standort mit Generator läuft die Maschine die meiste Zeit im Teillastbetrieb, da sie nur die Differenz zwischen dem Bedarf der Pumpe und der Produktion des Feldes deckt. Genau diese Betriebsweise erlaubt, wie die Anwendungsnotiz smartSolution hybrid pumping beschreibt, die Wahl eines deutlich kleineren Generators, als ihn ein rein thermischer Antrieb verlangen würde.

Dauerbetriebbeide Quellen arbeiten gleichzeitig, die Reserve folgt der Einstrahlung spiegelbildlich
Nachtdie Förderung läuft über die Wechselstromquelle weiter, wenn die Programmierung es verlangt
Ein einziger Motordieselbe Pumpe und derselbe Regler bedienen beide Betriebsarten
PumpScannerdie gesamte Hybridkonfiguration wird in der App eingestellt, Sensoren inbegriffen
Die Baureihe

Der PSk3 trägt seinen AC-Eingang selbst, der PSk2 erhält ihn vom smartPSUk2

Zwei Architekturen decken die Baureihe ab. Beim PSk3 ist der Wechselstromeingang in den Regler integriert: Das Drehstromkabel geht unmittelbar in das Gerät, ebenso wie das Photovoltaikfeld. Beim PSk2 übernimmt diese Funktion ein eigener Schaltschrank, der smartPSUk2, der das Solarfeld und die Wechselstromquelle aufnimmt und dem Regler den kombinierten Gleichstrom liefert.

Regler PSk3PSk3‑7PSk3‑15
Nennausgangsleistung8,3 kVA16 kVA
Nennleistung des Motors5,5 kW11 kW
Solareingang, Spannungsbereich400 bis 850 V400 bis 850 V
Minimale MPPT-Spannung575 V575 V
AC-Eingang, Nennspannung380 bis 480 V ±10 %380 bis 480 V ±10 %
AC-Eingang, maximaler Strom17,5 A30 A
Maximaler Nennwert der AC-Sicherungen20 A35 A
Schutzart des ReglersIP 66IP 66

Der Einschaltstrom des Wechselstromeingangs erreicht bei beiden Baugrößen 42 A, ein Wert, der bei der Wahl der Schaltorgane zu berücksichtigen ist. Der zulässige Frequenzbereich am Eingang liegt laut Tabelle der technischen Daten bei 45 bis 60 Hz, und die Anleitung ergänzt, dass der Regler die Netzspannung vor dem Zuschalten und anschließend während des gesamten Betriebs überwacht: Er verbindet sich, wenn die Spannung im vorgesehenen Bereich liegt, und schaltet bei einem instabilen Netz ab.

Im Hybridbetrieb entscheidet die Spannung des Photovoltaikfeldes über den Zugang zur Mischung. Der PSk3 richtet die Wechselspannung intern gleich; damit beide Quellen zusammenarbeiten, muss der reale Vmp des Feldes über dieser gleichgerichteten Spannung bleiben. Die Anleitung gibt die Entsprechung an: 380 V AC verlangen mindestens 535 V DC, 400 V AC erfordern 565 V DC, 460 V AC heben die Schwelle auf 650 V DC und 480 V AC auf 680 V DC. Dasselbe Kapitel stellt eine kurze und strikte Installationsregel auf: Im Hybridbetrieb darf das Photovoltaikfeld nicht geerdet werden.
Regler PSk2SolareingangMotorAusgangsstromAC-Eingang max. je Phase
PSk2‑2121 kWp15 kW3 × 33 A38 A
PSk2‑2525 kWp18,5 kW3 × 40 A45 A
PSk2‑4040 kWp30 kW3 × 65 A70 A
PSk2‑100100 kWp75 kW3 × 160 A170 A

Zwei Schaltschränke decken diese Baureihe ab. Der smartPSUk2‑40 gehört zu den Reglern PSk2‑21 bis PSk2‑40: Sein Wechselstromeingang nimmt 3 × 380 bis 415 V ±10 % bei 50 oder 60 Hz auf, bis zur Grenze von 38 kW und 48 kVA, und sein Gleichstromausgang ist mit höchstens 850 V und 70 A angegeben. Der smartPSUk2‑100 bedient die PSk2 oberhalb des PSk2‑40, bis zum PSk2‑100, mit demselben Eingangsspannungsbereich, einer Höchstleistung von 95 kW und einem Gleichstromausgang von 170 A. Beide Schaltschränke nehmen eine Leerlaufspannung des Feldes von 850 V auf, sind in einem pulverbeschichteten Edelstahlgehäuse nach IP 54 geschützt, arbeiten bei −10 bis 50 °C Umgebungstemperatur und tragen einen Überhitzungsschutz sowie eine aktive Kühlung.

Der smartPSUk2‑100 verlangt mindestens 380 V Wechselspannung. Sein Datenblatt weist als Warnung darauf hin: Unterhalb dieser Schwelle ist die verfügbare Motorleistung begrenzt. Bei einem schwachen oder spannungsschwankenden Netz nennt LORENTZ zwei Antworten, die Verringerung der Leistungsgrenze im Regler PSk2 über die Betriebsparameter des PumpScanner, oder den Einbau eines Transformators, vorzugsweise mit mehreren Ausgängen zwischen 400 und 460 V, um sich den örtlichen Bedingungen anzupassen.

Zur Kompatibilität ist der Artikel der Wissensdatenbank eindeutig: Die Komponenten smartSolution, smartPSUk2 und smartStart arbeiten mit den Systemen PSk2‑x der aktuellen Generation, erkennbar an ihrem blauen Gehäuse. Diese Systeme ersetzen die PSxk2 mit grauem Gehäuse, doch keine einzige Elektronikplatine ist beiden Generationen gemeinsam.
Der smartStart

Der Generator startet und stoppt auf Anforderung der Pumpe

Der smartStart ist das Gehäuse, das dem System die Kontrolle über den Generator gibt. Es wird über ein vorbereitetes Kabel an den Regler angeschlossen, das zugleich die Versorgung und den Austausch zwischen beiden Geräten trägt. Je nach gewählter Programmierung setzt das System die Maschine in Gang und schaltet sie ab, ohne dass der Betreiber vor Ort erscheinen muss.

Die Einsatzbedingung betrifft den Generator selbst, der über einen automatischen Zweidraht-Fernstart verfügen muss. Der smartStart liefert dann einen potentialfreien Umschaltkontakt, der bei ausgelöster Startanforderung geschlossen ist. Die Anleitungen PSk2 und PSk3 geben für diesen Relaiskontakt dieselbe Höchstbelastbarkeit an: 250 V Wechselspannung oder 30 V Gleichspannung, 2 A. Bei den zulässigen Merkmalen der Maschine nennt die smartSolution-Dokumentation des PSk2 380, 400 oder 415 V dreiphasig bei 50 oder 60 Hz; die Anleitung des PSk3 erweitert diese Liste um die Spannungen 440, 460 und 480 V.

Im Inneren des Gehäuses sitzt eine Batterie, eine AGM-Bleibatterie mit 12 V und mindestens 7 Ah, vom Typ Genesis NP‑12 oder gleichwertig. Der Regler lädt sie während des Solar- oder Netzbetriebs. Sie dient genau den Stunden, in denen nichts mehr produziert: Ohne sie hätte ein System, dessen Förderung um zwei Uhr morgens beginnen soll, nichts, womit es seine Logikkarten für den Startbefehl versorgen könnte. Das Gehäuse wird weniger als einen Meter vom Regler entfernt montiert, mit 250 mm Freiraum darüber und darunter.

Ein zweiter Ausgang des smartStart steuert benachbarte Betriebsmittel. Die Notiz ancillary equipment switching nennt die Anwendungen und die Auslöser: eine Düngerdosierpumpe in Gang setzen, wenn die LORENTZ-Pumpe läuft, eine Kreisberegnungsanlage starten, wenn die verfügbare Leistung für den angestrebten Förderstrom ausreicht, oder ein zweites Pumpsystem anfahren, wenn die Brunnensonde anspricht oder das erste System seinen Einschaltbefehl erhält.
Der Generator

Eine Auslegung, die von der Leistung im Betriebspunkt ausgeht

Die Anwendungsnotiz zur Auslegung hybrider Systeme mit PSk2 und smartPSUk2 stellt eine einfache Regel auf und belegt sie an zwei Fällen. Für den Generator ist die Leistung anzusetzen, die der Motor im angestrebten Betriebspunkt aufnimmt, multipliziert mit einem Sicherheitsbeiwert von 1,5, und sie versteht sich als Dauerleistung, also als die, welche die Maschine im Dauerbetrieb hält.

Erstes Beispiel der Notiz: eine Anlage, die 25 m³/h bei 50 m Gesamtförderhöhe liefern soll. Die vom Motor in diesem Punkt aufgenommene Leistung beträgt 6 kW, was zu einem Generator mit 9 kW Dauerleistung führt. Diese Maschine bleibt kleiner als der Motor der Pumpe, und das Dokument zieht daraus ohne Umschweife den Schluss: Sie hält die Pumpe ohne Mitwirkung des Photovoltaikfeldes nicht auf voller Leistung. Zweites Beispiel: Dieselbe Anlage nimmt bei voller Leistung 12,5 kW am Motor auf, also 18,75 kW Generator, und dort ist die vollständige Eigenständigkeit erreicht.

Die Wahl zwischen diesen beiden Ansätzen gehört zum Projekt. Die Notiz smartSolution hybrid pumping dokumentiert den Fall des bewusst knapp gehaltenen Generators: Eine Drehzahlgrenze, im PumpScanner unter der Bezeichnung PSU speed limit eingestellt, deckelt die Drehzahl der Pumpe im Hybridbetrieb und erlaubt es einem Generator mit geringerer Dauerleistung als der Motorleistung, die Anlage zu betreiben. Die Anleitung PSk2 nennt dieselbe Einstellung für eine Bohrung mit geringer Ergiebigkeit oder für einen kleineren Generator. Schließlich fällt das Verhalten thermischer Maschinen von Modell zu Modell verschieden aus: Treten beim Anlauf des Hybridsystems Pendelungen oder ungewöhnliche Schwingungen auf, empfiehlt die Notiz, die Drehzahl der Pumpe zu verringern, bis ein stabiler Betrieb wieder erreicht ist.

× 1,5Beiwert auf die Motorleistung, um die Dauerleistung des Generators zu erhalten
6 → 9 kWdas Beispiel der Notiz für 25 m³/h bei 50 m Gesamtförderhöhe
Teillastder normale Betriebszustand des Generators, da er nur die von der Sonne gelassene Differenz deckt
Verzögerungdie Startverzögerung verhindert, dass der Motor beim Anlauf im Hybridbetrieb abgewürgt wird

Diese Verzögerung, die ebenfalls im PumpScanner eingestellt wird, kehrt in jeder Anwendungsnotiz wieder, sobald ein Generator ins Spiel kommt. Sie lässt der Maschine die Zeit, ihre Drehzahl zu erreichen, bevor die Pumpe ihr ihre Leistung abverlangt.

Die Betriebsarten

Vier dokumentierte Arten, ein Hybridsystem zu führen

Die Anwendungsnotizen von LORENTZ beschreiben vier Betriebsweisen, jede mit ihren Sensoren, ihren PumpScanner-Einstellungen und ihrem Anwendungsfall. Sie werden bei der Inbetriebnahme gewählt und lassen sich anschließend aus der Ferne ändern, je nach Jahreszeit oder Bedarf der Kultur.

Konstanter Druck

Ein LORENTZ-Drucksensor wird an einen Analogeingang des Reglers angeschlossen und im PumpScanner parametriert; bei den Oberflächenpumpen CS‑F und CS‑G nennt die Dokumentation die vorgesehenen Einbaustellen am Pumpengehäuse und an den Flanschen.

Das System passt die Drehzahl an, um den Sollwert zu halten, und der Wechselstrombeitrag füllt auf, was die Einstrahlung nicht liefert. Die Anleitung PSk2 zählt die Anforderung eines konstanten Drucks ausdrücklich zu denen, die den Einsatz des smartPSUk2 begründen. Der von LORENTZ veröffentlichte spanische Fall hält so einen Sollwert von 2,5 bar für ein Bewässerungsnetz fest.

Anleitung PSk2, Kapitel 10.5 und 15.2.1; Fallstudie Hybrid irrigation in Spain.

Konstanter Förderstrom

Ein Wasserzähler mit Impulsausgang misst den Förderstrom, und das System passt die Drehzahl der Pumpe an, um den programmierten Wert zu halten. Die Wechselstromleistung wird erst dann abgerufen, wenn sie zum Halten dieses Sollwerts nötig wird.

Die Notiz nimmt als Beispiel eine Zuckerfabrik, die durchgehend 130 m³/h über sechzehn Stunden verlangt, von 4:30 bis 20:30 Uhr. Der automatische Start erfolgt zur gewählten Uhrzeit, vor oder nach Tagesanbruch, und die Anlage als Diesel-Hybridsystem erhält zusätzlich die Startverzögerung.

Anwendungsnotiz automatic flow control.

Programmiertes Tagesvolumen

LORENTZ dokumentiert diese Betriebsweise unter dem Namen „daily flow“, im PumpScanner unter der Bezeichnung „daily amount“ eingestellt. Sie beschreibt eine Programmierung des Systems und keine von LE LAB übernommene Ergebnisgarantie. Der Wasserzähler dient als Summenzähler: Die Programmierung legt die zu fördernde Menge fest, und das System hält an, sobald sie erreicht ist. Hat der Sonnentag nicht ausgereicht, wechselt die Maschine auf die Wechselstromquelle und setzt die Förderung nachts fort, bis das geforderte Volumen erreicht ist.

Die Nullstellung des Zählers wird auf die gewünschte Uhrzeit programmiert, wodurch sich die Zusatzquelle auf ein gewähltes Zeitfenster legen lässt: Die Notiz zeigt eine Spanne von 22:30 bis 4:00 Uhr und einen um 4:00 Uhr zurückgesetzten Zähler. Der Wasserbedarf einer Kultur ändert sich im Lauf des Jahres, und die Einstellung wird Saison für Saison neu vorgenommen.

Anwendungsnotiz daily flow.

Solar als Standard

Diese Betriebsweise richtet sich an Standorte, die bereits einen Generator besitzen und ihn als Reserve behalten wollen, ohne die Gewohnheiten des Betreibers zu ändern. Die Ausrüstung beschränkt sich auf den Regler PSk2 und den smartPSUk2; der PSU-Modus wird im PumpScanner aktiviert, bei Bedarf mit einer Drehzahlgrenze, um einen Generator mit geringerer Dauerleistung als der Motorleistung zu berücksichtigen.

Danach beschränkt sich die Bedienung auf einen Handgriff: Der Betreiber setzt seinen Generator von Hand in Gang, und das System geht in den Hybridbetrieb; er schaltet ihn ab, und die Rückkehr zum reinen Solarbetrieb erfolgt von selbst. Die Notiz hält diese Betriebsweise wegen der Einfachheit und der Betriebssicherheit fest, die sie an einem bereits ausgerüsteten Standort bringt.

Anwendungsnotiz solar by default operation.
Der Installationspunkt

Ein nicht sinusförmiger Strom und Komponenten, die auf den Höchstwert ausgelegt sind

Das ist der technische Punkt, den die Anleitungen am nachdrücklichsten behandeln, und er verdient es, schon in der Auslegung gesetzt zu werden. Der Wechselstromeingang arbeitet als Gleichrichter: Er entnimmt der Quelle einen nicht sinusförmigen, oberschwingungsbehafteten Strom, dessen Höchstwert den eines rein sinusförmigen Stroms leicht übersteigt.

Die tatsächlich aufgenommene Stromstärke hängt von der Impedanz und der Spannung der Quelle ab. Die veröffentlichten Werte entsprechen dem anspruchsvollsten Fall, dem eines überdimensionierten Generators oder eines starken Netzes, wenn das System auf voller Leistung arbeitet. Die Anleitung PSk3 nennt bis zu 30 A Effektivwert je Phase für einen Motor mit 11 kW auf voller Leistung, wobei ihre technischen Daten an einem dreiphasigen 400-V-Netz mit geringer Impedanz ermittelt wurden. Beim PSk2 steigt die Tabelle der Kabelquerschnitte und der Wechselstrom-Eingangsströme von 38 A je Phase beim PSk2‑21 auf 170 A beim PSk2‑100, mit 70 A beim PSk2‑40 dazwischen. Die Vorgabe ist in beiden Anleitungen dieselbe: Alle Komponenten der Anlage werden auf diesen maximalen Stromwert ausgelegt.

Das öffentliche Netz stellt bisweilen eine zusätzliche Anforderung. Wo örtliche Vorgaben die Oberschwingungsverzerrungen begrenzen, sieht die Dokumentation den Einbau von Filtern am Wechselstromeingang vor. Die Anleitung PSk3 fügt einen nützlichen Effekt hinzu: Diese Filter verringern auch den an der Quelle aufgenommenen Effektivstrom. Die übrigen Posten liegen beim Installateur, nämlich das Kabel, der Trennschalter oder Leistungsschalter auf der Wechselstromseite und die Sicherungen, denn weder Sicherung noch Wechselstrom-Leistungsschalter sind im Regler enthalten. Beim PSk3 sind die empfohlenen Sicherungen vom Typ gR oder gS, mit 20 A für den PSk3‑7 und 35 A für den PSk3‑15. Zum Fehlerstromschutz ist die Dokumentation eindeutig: Dieses Produkt kann einen Strom mit Gleichstromanteil erzeugen, und vorgeschaltet ist allein eine Einrichtung vom Typ B zulässig.
In der Anwendung

Die PSk-Systeme in LE LAB

Die PSk-Systeme stehen im Katalog der Anwendung, mit ihren Kennlinien und ihren Einsatzgrenzen: die PSk3‑7 und PSk3‑15 für die kompakten Leistungen, darüber die PSk2‑21, PSk2‑25, PSk2‑40 und PSk2‑100. Die Berechnung greift dort auf sie zurück, wo die Regelung auf konstanten Druck und der Rückgriff auf eine Zusatzquelle ihren Sinn haben, also bei Bewässerungsnetzen, die einen Sollwert verlangen, der unabhängig vom Licht des Tages gehalten wird.

Ergebnisbildschirm von LE LAB bei konstantem Druck: Säulendiagramm des Monat für Monat geförderten Volumens, mit dem von der Sonne getragenen Anteil und dem von der Zusatzquelle gelieferten Anteil, gefolgt von der Tabelle der Monatswerte.
Die Aufteilung zwischen Sonne und Zusatzquelle, Monat für Monat, so wie die Anwendung sie im Ergebnisschritt wiedergibt. Der jährliche Solaranteil und die Monate, in denen die Zusatzquelle arbeitet, erscheinen unmittelbar, mit der Wertetabelle unter dem Diagramm.

Der Bericht übernimmt diese Aufteilung für das untersuchte Projekt: das Monat für Monat geförderte Volumen, den vom Photovoltaikfeld getragenen Anteil, den von der zweiten Quelle gelieferten Anteil und die Leistung, die der Generator im Dauerbetrieb halten muss. Diese drei Angaben erlauben es, die von der Studie vorgesehene Betriebskontinuität und den Betriebszustand der thermischen Maschine zu beurteilen.

Quellen

Woher diese Informationen stammen

  • Anleitung der Pumpsysteme PSk3, LORENTZ: technische Daten des Reglers, Solar- und Wechselstromeingang, Verdrahtung des Hybridbetriebs, Entsprechung der Spannungen, Eingangsstrom und Oberschwingungen, Sicherungen, smartStart und Kompatibilität der Generatoren.
  • Anleitung der Pumpsysteme PSk2, Ausgabe 2023, LORENTZ: technische Daten der Regler PSk2‑21 bis PSk2‑100, Kapitel smartSolution, Installation und Betrieb des smartPSUk2, Tabelle der Kabelquerschnitte und der Wechselstrom-Eingangsströme, smartStart, potentialfreier Kontakt mit 250 V AC oder 30 V DC bei 2 A und Batterie.
  • Datenblatt smartPSUk2‑40, LORENTZ: Kompatibilität, Wechselstromeingang, Gleichstromausgang, Schutzart, Temperaturbereich, Abmessungen und Anschluss an den Regler.
  • Datenblatt smartPSUk2‑100, LORENTZ: Kompatibilität, Wechselstromeingang, Gleichstromausgang, Warnhinweis zur Mindestspannung und zur verfügbaren Motorleistung.
  • Anwendungsnotiz PSk2, smartPSUk2 hybrid system layout and design, LORENTZ: Sicherheitsbeiwert, Beispiele zur Auslegung des Generators, Spezifikationen der Generatoren.
  • Anwendungsnotizen smartSolution hybrid pumping, automatic flow control, daily flow, solar by default operation und ancillary equipment switching, LORENTZ: dokumentierte Betriebsweisen, erforderliche Ausrüstung, PumpScanner-Einstellungen und Betrieb.
  • Artikel der Wissensdatenbank Compatibility of PSk2 versions, smartPSU, smartSolution components, LORENTZ: Generationen der Regler und Kompatibilität der smartSolution-Komponenten.
  • Fallstudie Hybrid irrigation in Spain, LORENTZ: Konfiguration eines PSk2‑40-Systems mit smartPSUk2, smartStart, Drucksensor und Wasserzähler.
  • Weiterführend: das solare Pumpen mit konstantem Druck, Solar und Generator auf derselben Anlage und die Fallstudie einer Kiwi-Anlage im Südwesten Frankreichs.