Im Rahmen einer Diplomarbeit war das Ziel, eine solarbetriebene Wasserpumpe auf der Mission St. Rupert Mayer zu planen, in Betrieb zu nehmen sowie mittels Messtechnik und eines Simulationsmodells die weiteren Möglichkeiten der Optimierung zu überprüfen.
Zu diesem Zweck wurde während meines sechswöchigen Aufenthalts in Simbabwe eine 4 kWp große PV-Anlage aufgestellt, die über einen Pumpencontroller mit Wechselrichter eine mehrstufige Kreiselpumpe antreibt. Die eingesetzte Messtechnik hat die Aufgabe sämtliche Leistungsverläufe des Systems, angefangen mit der solaren Einstrahlung, über die erzeugte elektrische Leistung, bis hin zur tatsächlichen Pumpleistung zu erfassen und über den Einsatz eines Mikrocontrollers zu speichern. Sämtliche Sensoren konnten erfolgreich angebracht und getestet werden, sodass bereits erste Leistungsverläufe zur Untersuchung zur Verfügung stehen.
Die Auswertung der einwöchigen Messergebnisse gibt eine Aussicht, aber noch keine genaue Einsicht in das Pumpenverhalten. Das liegt neben der Kürze des Zeitraums vor allem an den Einstellungen an der Messtechnik, die während dieses Abschnitts vorgenommen werden mussten, und dem geringen Zufluss an Wasser ins Bohrloch. Allerdings war ein deutlicher Anstieg des Zuflusses durch den Aufbruch einer unterirdischen Wasserader in dieser Zeit hör- und messbar, wodurch die Hoffnung, die Pumpe voll ausgelastet betreiben zu können, bestärkt wurde. Die berechneten Wirkungsgrade des Solargenerators von 17%, des Pumpencontrollers von ca. 80% und der Wasserpumpe von fast 40% liegen im Rahmen des Erwartungswerts, müssen aber durch Langzeitmessungen erst noch bestätigt werden. Eine praxisnahe Nachbildung der Anlage in Matlab-Simulink wurde in der Zeit vor dem Aufbau bereits erstellt und konnte im Anschluss den gemessenen Werten angepasst werden. Eine Simulation über den Zeitraum eines Jahres konnte die Ergebnisse der Auslegungssoftware Compass bestätigen.
Aufgrund der relativ konstanten Einstrahlung über das ganze Jahr hinweg ist eine Deckung des Trinkwasserbedarfs von 40m3 pro Tag durch die solare Wasserpumpe jederzeit gewährleistet. Darüber hinaus erhärtete das Ergebnis der Simulation den Verdacht, dass sogar ein großer Ãœberschuss an PV-Leistung besteht. Insbesondere bei schwacher Einstrahlung, die sich für den Betrieb der Pumpe nicht eignet, und in den Zeiten, in denen die Speicher gefüllt sind, besteht ein erhebliches Potential zur anderweitigen Nutzung dieser Energie. Beispielsweise beträgt selbst nach Abzug der Verluste durch das Batteriesystem und den Wechselrichter die überschüssige Energiemenge den fünf- bis sechsfachen Wert, der zur Beleuchtung des Jungeninternats nötig wäre. Besonders positiv ist, dass diese Ãœberschussleistung ebenfalls keinen jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt, sodass selbst bei geringer Speichergröße eine hohe Versorgungssicherheit auch für weitere Verbraucher möglich wäre.
Eine Weiterführung des Projekts ist geplant und auch die finanziellen Mittel stehen dank einer Spende bereits zur Verfügung. Hierzu wäre im nächsten Schritt die Wiederaufnahme der Messungen durchzuführen, um das tatsächliche Verhalten des Systems über einen längeren Zeitraum zu untersuchen. Diese Ergebnisse und die Aufzeichnung realer Lastgänge einzelner Verbraucher können die Grundlage für eine Erweiterung des Simulink-Modells mit einem Batteriespeichersystem bilden. Bestätigen dann sowohl die Messergebnisse als auch die Simulation das Vorhandensein überschüssiger Leistungen, so könnte mit der Planung und Umsetzung einer solchen Anlage begonnen werden. Das erstellte Handbuch mit der genauen Beschreibung des Systems, sowie der Mikrocontroller inklusive Software, der nicht nur zur Messung sondern auch zur Regelung einer künftigen Erweiterung dienen könnte, stehen bereits zur Verfügung.
Kontakt: Jan Vincke
