Solares Pumpen mit konstantem Druck:
Regner, Kanone und Kreisberegner
Ein Beregnungsausleger, eine Bewässerungskanone oder ein Kreisberegner verlangen einen stabilen Förderstrom und einen stabilen Druck über die gesamte Dauer des Bewässerungsdurchgangs. LE LAB dimensioniert den Betriebspunkt, die Pumpe, das Photovoltaikfeld und die Zusatzquelle, die nötig wird, sobald die Solarleistung nicht mehr ausreicht.
Ein Förderstrom, bei einem Druck, über eine Dauer
Beim Pumpen im Rhythmus der Sonne zielt die Vorgabe auf eine Menge: so und so viele Kubikmeter pro Tag, gefördert, wenn die Einstrahlung es erlaubt, und in einem Becken gespeichert. Die Beregnung stellt eine andere Gleichung. Das Gerät hat einen Betriebsdruck und einen Nennförderstrom, und es bewässert nur bei diesem Wertepaar richtig. Sechzig Kubikmeter, verteilt auf sechs Stunden Bewässerungsdurchgang, lesen sich daher so: zehn Kubikmeter pro Stunde, durchgehend zu halten, bei drei bar am Übergabepunkt. Ziel der Berechnung ist nicht mehr die am Abend abgelesene Menge, sondern das Halten des Betriebspunkts über das gesamte Zeitfenster.
Der vom Bewässerungsgerät geforderte Druck wird in eine Wassersäule umgerechnet und kommt zu dem hinzu, was die Pumpe ohnehin überwinden muss: die Entnahmetiefe, den Höhenunterschied bis zur Parzelle und die Reibungsverluste in der Leitung. Ein bar entspricht 10,2 Metern Süßwassersäule. Ein Sollwert von 3,0 bar wiegt somit 30,6 Meter, so viel wie eine zusätzliche Bohrtiefe von dreißig Metern.
Der zu haltende Förderstrom bestimmt auch die Leitung. Ein Durchmesser, der für das langsame Füllen eines Beckens gewählt wurde, wird eng, sobald dasselbe Volumen in wenigen Stunden durchläuft: Die Geschwindigkeit steigt, die Reibung mit ihr, und jeder verlorene Meter findet sich in der Förderhöhe wieder, die die Pumpe liefern muss. Die Leitung wird daher auf den geregelten Förderstrom ausgelegt, nicht auf einen Tagesmittelwert.
Ein Sollwert, gehalten durch Regelung und Zusatzquelle
Ein Drucksensor wird am Leitungsausgang gesetzt, hinter dem Filter, so nah wie möglich am Übergabepunkt. Der Regler liest diesen Messwert und passt die Drehzahl der Pumpe an. Dieser Regelkreis begrenzt die Auswirkung der Schwankungen der Solarleistung auf den Druck, der an das Bewässerungsnetz geliefert wird.
Solange das Photovoltaikfeld die nötige Leistung liefert, arbeitet die Pumpe solar. Sinkt diese Leistung, ergänzt das Netz oder ein Generator über den Wechselstromeingang, der in der gewählten Architektur vorgesehen ist. Der Regler hält dabei den für das Projekt festgelegten Sollwert für Druck und Förderstrom.
Zwei Baureihen tragen diesen Wechselstromeingang: Der PSk3 integriert ihn in seinen Regler, während der PSk2 ihn von einem separaten Schaltkasten erhält, dem smartPSUk2. LE LAB dimensioniert den konstanten Druck auf beiden Baureihen; die Einzelheiten der beiden Architekturen stehen auf der Seite LORENTZ PSk hybrid.
Das Starten des Generators kann dem System selbst übertragen werden: Der smartStart schließt einen potentialfreien Kontakt, sobald die Zusatzquelle angefordert wird, und startet die Maschine über deren Zweidraht-Fernstartfunktion, ohne Eingriff auf der Parzelle.
Die Seite Solar und Generator beschreibt die Wahl und die Anforderungen an die Zusatzquelle im Einzelnen. Die Seite LORENTZ PSk hybrid stellt die Architektur der Regler, den smartPSUk2 und den smartStart vor.
Sechzig Kubikmeter pro Tag in Granada, bei 3,0 bar
Eine Gemüsebauparzelle von 1,2 Hektar in Andalusien, im Beregnungsverfahren bewässert. Der Spitzenbedarf erreicht 60 m³ pro Tag, das Zeitfenster dauert sechs Stunden und der am Übergabepunkt geforderte Druck beträgt 3,0 bar. Das Wasser kommt aus einer Bohrung in 55 Metern Tiefe, der Beregnungskopf liegt 5 Meter darüber, und dreißig Meter Leitung trennen beide. Hier die Studie so, wie die Anwendung sie ausgibt.
| Eingangsgröße | Wert | Was daraus in der Berechnung wird |
|---|---|---|
| Tagesbedarf | 60 m³/Tag | bei sechs Stunden Bewässerung: 10 m³/h, durchgehend zu halten |
| Druck am Übergabepunkt | 3,0 bar | 30,6 m zusätzlich zur Förderhöhe |
| Fördertiefe | 55 m | der feste Anteil der Förderhöhe |
| Höhe des Übergabepunkts | 5 m | der Höhenunterschied bis zum Übergabepunkt |
| Leitung | 30 m | Außendurchmesser 63 mm in PN 16, Geschwindigkeit von 1,33 m/s beim geregelten Förderstrom |
| Druckverluste | 5,4 m | 3,4 m durch Reibung, 2 m an Bögen und Ventilen, also 6 % der Gesamtsumme |
| Gesamtförderhöhe | 96 m | die bei 10 m³/h durchgehend zu liefernde Förderhöhe |
Die sechs Werte, die die Studie zusammenfassen, so wie sie in der Anwendung erscheinen.
Die gewählte Lösung ist eine Tauchpumpe LORENTZ PSk3-15 in Verbindung mit der Hydraulik C-SJ17-18, die am oberen Ende ihrer Spanne 22 m³/h und 180 Meter erreicht. Bei 10 m³/h gegen 96 Meter nimmt sie 4,3 kW am Motor auf. Das Feld zählt 17 Module zu 515 Wp in einem einzigen Strang, also 8.755 Wp, mit 34 Grad Neigung. Das für die Zusatzquelle empfohlene Aggregat erreicht 6,5 kW im Dauerbetrieb. Es folgt aus der Herstellerregel, die die am Betriebspunkt aufgenommene Leistung mit 1,5 multipliziert: Die aufgenommenen 4,26 kW ergeben 6,39 kW, aufgerundet auf das nächste halbe Kilowatt. Die Dimensionierung wird auf der Seite zum Generator zur Unterstützung des solaren Pumpens im Einzelnen dargestellt.
Aufteilung zwischen Solar und Zusatzquelle, Monat für Monat
Die Berechnung stellt das Bewässerungsfenster sechzehn Jahren realer Einstrahlung gegenüber, Stunde für Stunde. Die geforderte Leistung bleibt während des Fensters konstant, während die Photovoltaikproduktion schwankt. Die Zusatzquelle liefert die Differenz, die nötig ist, um Förderstrom und Druck zu halten; die Aufteilung zwischen den beiden Quellen ändert sich mit der Stunde und der Jahreszeit.
Das monatliche Volumen und seine Aufteilung auf die beiden Quellen.
| Monat | Gefördertes Volumen | Solaranteil | Anteil der Zusatzquelle |
|---|---|---|---|
| Januar | 1.860 m³ | 83 % | 17 % |
| Februar | 1.680 m³ | 83 % | 17 % |
| März | 1.860 m³ | 85 % | 15 % |
| April | 1.800 m³ | 87 % | 13 % |
| Mai | 1.860 m³ | 91 % | 9 % |
| Juni | 1.800 m³ | 97 % | 3 % |
| Juli | 1.860 m³ | 99 % | 1 % |
| August | 1.860 m³ | 98 % | 2 % |
| September | 1.800 m³ | 94 % | 6 % |
| Oktober | 1.860 m³ | 90 % | 10 % |
| November | 1.800 m³ | 83 % | 17 % |
| Dezember | 1.860 m³ | 85 % | 15 % |
Über das Jahr kommen 90 % des geförderten Volumens von der Sonne und 10 % von der Zusatzquelle, konzentriert von November bis April. In Energie ausgedrückt sind das rund 965 kWh pro Jahr, die die zweite Quelle liefern muss, und nahezu 570 Betriebsstunden. Der Gegensatz zwischen Juli, wo die Zusatzquelle 1 % ausmacht, und den Wintermonaten, wo sie auf 17 % steigt, hat zwei Ursachen, die in dieselbe Richtung wirken: Der Tag ist kürzer und die Einstrahlung schwächer.
Der typische Tag im November
Das Photovoltaikfeld wird auf den sonnenärmsten Monat der Pumpsaison ausgelegt. In Granada ist das bei ganzjähriger Bewässerung der November. Der typische Tag dieses Monats zeigt, wo die Ergänzung gefordert ist, Stunde für Stunde über die sechs Stunden des Fensters.
Alle Balken sind gleich hoch: Der Förderstrom ist konstant, nur die Aufteilung ändert sich.
Das Fenster läuft von 10 Uhr bis 16 Uhr in wahrer Ortszeit. Die Sonne trägt in der ersten und in der letzten Stunde 79 % des Förderstroms, um den wahren Mittag 86 %; die Zusatzquelle liefert den Rest. Diese Werte sind Monatsmittel: Im Detail der einzelnen Tage deckt die Sonne an sechzehn von dreißig Tagen das gesamte Fenster allein ab, an den übrigen Tagen ergänzt die zweite Quelle.
| Wahre Ortszeit | Gehaltener Förderstrom | Mittlerer Solaranteil |
|---|---|---|
| 10 bis 11 Uhr | 10 m³/h | 79 % |
| 11 bis 12 Uhr | 10 m³/h | 84 % |
| 12 bis 13 Uhr | 10 m³/h | 86 % |
| 13 bis 14 Uhr | 10 m³/h | 86 % |
| 14 bis 15 Uhr | 10 m³/h | 84 % |
| 15 bis 16 Uhr | 10 m³/h | 79 % |
Grenzen und Fälle außerhalb des Standards
Drei Feststellungen begleiten die Studie und gehören vor der Bestellung des Materials festgehalten.
Kleine Volumen können zu einer überdimensionierten Ausrüstung führen
Der konstante Druck verlangt eine Maschine, die den Betriebspunkt über die gesamte angegebene Dauer halten kann. Am selben Standort in Granada liefert bei 20 m³ pro Tag und sechs Stunden Bewässerung die kleinste passende Einheit 3,3 m³/h mit einem Feld von 5.850 Wp: Ein Drittel des Volumens aus dem Hauptbeispiel verlangt noch immer zwei Drittel seiner Photovoltaikleistung. Die Anwendung zeigt die verfügbaren Lösungen und weist am Bildschirm darauf hin: Unterhalb von etwa 40 m³ pro Tag übertrifft die kleinste Baureihe, die konstanten Druck leisten kann, den Bedarf deutlich, und ihr Preis ebenso.
Das Zeitfenster liegt um den wahren Mittag
Das von der Berechnung angesetzte Bewässerungsfenster ist auf den wahren Mittag des Standorts zentriert, also auf die beste Stelle der Kurve. Eine zum Morgen oder zum Abend verschobene Spanne bleibt technisch möglich, mit denselben Komponenten, und erhöht den Anteil der zweiten Quelle. Die Annahme steht unter dem Diagramm und wird im Bericht wiederholt, damit sich die genannte Zahl auf eine bekannte Uhrzeit bezieht.
Die Tropfbewässerung folgt einer anderen Logik
Eine lokalisierte Bewässerung arbeitet mit niedrigem Druck und verträgt einen schwankenden Förderstrom: Sie füllt ein Becken oder bewässert im Rhythmus der Ressource und bleibt die energiesparendste Betriebsart. Der Ablauf der Dimensionierung bleibt für sie derselbe, mit einer monatlichen Produktion und einer Autonomie der Reserve. Das in Schritt 3 angegebene Bewässerungsgerät bestimmt damit die gesamte nachfolgende Berechnung.
Der konstante Druck in LE LAB
In Schritt 3 fragt die Anwendung nach der Art des Bewässerungsgeräts. Die Wahl eines Regners, einer Bewässerungskanone oder eines Kreisberegners blendet die tägliche Dauer und den erforderlichen Druck am Übergabepunkt ein; der zu haltende Förderstrom wird daraufhin berechnet und zusammen mit dem Tagesbedarf angezeigt.
Schritt 3 mit gewähltem Regner: die Dauer, der Druck und der daraus folgende Förderstrom.
Die tägliche Dauer wird zwischen einer und sechzehn Stunden eingegeben. Der Druck ist je nach Gerät vorbelegt und bleibt von 0,5 bis 10 bar änderbar: 3,0 bar für einen Regner, 5,5 bar für eine Bewässerungskanone und 2,5 bar für einen Kreisberegner, mit der üblichen Spanne unter dem Feld. Der Bildschirm zeigt das Tagesvolumen, den geregelten Förderstrom und den Sollwert am Übergabepunkt gemeinsam an.
In Schritt 6 ist die Zusatzquelle von vornherein angehakt und bleibt es, solange das Gerät unter Druck gewählt bleibt, mit der Begründung auf der Karte. Die Ergebnisse ersetzen dann die übliche monatliche Produktion durch die beiden oben gezeigten Blöcke, die Aufteilung Monat für Monat und den typischen Tag des Auslegungsmonats. Der professionelle Bericht ergänzt einen eigenen Abschnitt: den Sollwert mit seinem Minimum und seinem Maximum auf ein halbes bar, die Lage des Sensors, den zu haltenden Förderstrom mit seinem Zeitfenster, dann das empfohlene Aggregat, den jährlichen Solaranteil, die Energie und die Betriebszeit, die von der zweiten Quelle verlangt werden.
Drehzahlgeregelte Einheiten mit Gleichstromversorgung decken andere Bedarfe ab, insbesondere große Förderströme aus tiefen Bohrungen: die Seite zu den SPE- und RSI-Einheiten beschreibt deren Dimensionierungslogik im Einzelnen.
Woher diese Zahlen stammen
- Anwendungshinweis „Hybrid Irrigation in Spain“, LORENTZ: Auslegung eines Systems mit konstantem Förderstrom und konstantem Druck samt Zusatzquelle, Lage des Drucksensors hinter dem Filter, Dimensionierung des Aggregats über die mit 1,5 multiplizierte Motorleistung.
- Anwendungshinweis „Automatic flow control“, LORENTZ: Halten eines Sollwerts durch Drehzahlregelung, Anforderung der alternativen Quelle nur dann, wenn sie nötig ist, bei der Inbetriebnahme eingestellte Startverzögerung.
- Anwendungshinweis „PSk2, smartPSUk2 hybrid system layout and design“, LORENTZ: Umschaltung und Mischung der beiden Quellen, Spezifikationen der zugelassenen Aggregate, potentialfreier Kontakt des smartStart und Zweidraht-Fernstartfunktion.
- Handbuch des Reglers PSk3, LORENTZ: integrierter Wechselstromeingang, Kombination der beiden Energiequellen, nicht sinusförmiger Eingangsstrom des Gleichrichters, Einbau des Drucksensors.
- Förderstrom-Förderhöhe-Kennlinien und Leistungskurven der LORENTZ-Produktdatenblätter für die als Beispiel angeführte Hydraulik.
- Stündliche Einstrahlungsdaten des Standorts, sechzehn Jahre Historie für Granada, und offizielles Datenblatt des gewählten Photovoltaikmoduls für seine Temperaturkoeffizienten.
Zahlen entnommen aus der offiziellen Herstellerdokumentation, gültige Fassungen zum Zeitpunkt der Veröffentlichung; die Herstelleranleitung bleibt die maßgebliche Referenz. Eine von SINES herausgegebene Seite.