Solarbetriebene Tropfbewässerung in Ägypten

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J oachim Müller und Karlheinz Köller, Hohenheim, sowie Sherif Algohary und Ahmed Hegazi, Kairo

So��rbetriebene Tropfbewässerung in Agypten

Da sowohl die Energie zur Wasserförde­

rung als auch das Wasser als solches begrenzte Ressourcen im Bewässerungs­

landbau darstel len, kommt der Entwick­

lung wasser- und energiesparender Bewässerungssysteme wachsende Bedeu­

tung zu. Vor diesem Hintergrund wurde ein photovoltaisch betriebenes N ieder­

druck-Tropfbewässerungssystem konzi­

piert und in Ägypten zur Bewässerung einer 1 ,7 ha großen Dattei/Zitrus-Pianta­

ge eingesetzt. Die installierte Leistung des Solargenerators beträgt 530 Wp. Der Wirkungsgrad bei der Wandlung von Strahlungsenergie in hydraul ische Ener­

gie erreichte 3 %. Durch Anpassung der Solargeneratorleistung an die Lastkennli­

nie der Pumpe sowie durch regelmäßige Reinigung der Solarmodule läßt sich der Wirkungsgrad noch erheblich steigern.

D

ter Energie, da der Wasserbedarf in der Regel direkt von der G lobalstrahlung ab­

hängt und somit eine gute An lagena usla­

stung erwarten läßt [1]. Aufgrund der ho­

hen I nvestitionskosten der Solarmod ule kommt diesem Wirtschaftlichkeitskriteri­

um besondere Bedeutung zu. Posorski [2] belegte d urch eine umfassende öko­

nomische Analyse d ie wirtschaftliche Ü berlegenheit von PV-Pumpen gegen­

ü ber Dieselpumpen im unteren Lei­

stungsbereich, wobei die O bergrenze j e nach Einsatzland bei 2 bis 4 k W lag. Meh­

rere PV-Pumpsysteme d ieser Leistungs­

klasse wurden auch im Rahmen ei nes B M B F-Projektes an verschiedenen Sta ndorten in Deutschland zur Bewässe­

r.ung eingesetzt [3, 4, 5]. Wä hrend d ie technische Zuverlässigkeit der Anlagen nachgewiesen werden konnte, entsta n­

den d u rch die geringe An lagenauslastung aufgrund der kurzen Bewässerungssa i­

son oft sehr hohe Wasserförderkosten.

Prof Dr. Karlheinz Kö/ler ist Leiter des Fach­

gebiets " Mechanisierung und Bewässerung"

des Instituts für Agrartechnik in den Tropen und Subtropen der Universität Hohenheim, Garbenstraße 9, 70599 Stuttgart, e-mail:

koeller@ats. uni-hohenheim. de. Dr. sc. agr.

Joachim Müller ist Mitarbeiter des Instituts.

Sherif Algohary und Ahmed Hegazi sind Mitarbeiter der Atomic Energy Authority, Kairo.

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Solargenerotor I solar g•fltralor

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Bild 1 : Aufbau des photovoltaisch betriebenen Tropfbewässerungssystems Fig. 1: Design of the photovoltaic driven drip Irrigation system

I n der vorliegenden Arbeit wurde ein PV-Bewässerungsystem für ein a rides Kli­

ma mit ganzjährigem Bewässerungsbe­

darf konzipiert und in Ägypten ( l nshas 31 o 26' W, 30° 36' N, 20 m N N ) unter Praxisbedingungen untersucht. Ziel war d ie Entwicklung einer wirtschaftlich kon­

kurrenzfähigen Lösung durch eine optimale Anpassung sämtlicher System­

komponenten an das spezifische Be­

triebsverha lten einer PV-Pumpe unter M i­

nimierung des hyd raulischen Energiebe­

darfs.

Aufbau und Funktion der Bewässerungsanlage

Das PV-Pum psystem besteht aus einer einstufigen Kreiselpumpe mit einem inte­

grierten , elektronisch komm utierten G leichstrommotor, welcher d i re kt an ei­

nen Solargenerator gekoppelt ist. Der Motor ist für eine Leerlaufspannung von 1 00 V und einen maximalen Kurzschluß­

strom von 8,4 A a usgelegt. Die zulässige Dauerleistung beträgt 450 W. Der Solar­

generator besteht aus zehn Siemens­

M55 Solarmodulen mit zwei para llelen Strängen a fünf Mod u len in Reihenschal­

tung, Bild 1 . Aus dieser Verschaltung er­

gibt sich eine Leerlaufspannung des Ge­

nerators von 108,5 V und ein Ku rz­

schlußstrom von 6,8 A. Die Nennleistung beträgt 530 Wp bei einer Generatorfläche

von 4 , 27 m2. Das Wasser wird direkt, also oh ne zwischengeschalteten Hochbehäl­

ter in das Rohrnetz der Tropfbewässe­

ru ngsanlage ei ngespeist. Der Betriebs­

druck der Anlage variiert somit entspre­

chend der G lobalstrahlung. Um trotzdem eine gleichmäßige Wasserverteilung zu erreichen, wurde ein spezielles Verroh­

rungsschema entwickelt, wobei zur M i n i­

mierung des Anlagendrucks sämtliche Leitungsq uerschnitte ü berd imensioniert sind . Entlang jeder Baumreihe wurd e ein P E-Rohr DN32 u nterird isch verlegt, von welchem an jedem Baum eine Steiglei­

tung D N 1 6 a bzweigt ( Bild 2) . Die Steigrohre münden in Blind leitu ngen, welche ringförmig um die Stämme gelegt sin d . Die Scheitel der Steigleitungen sind 0,2 m ü ber dem höchsten Geländepunkt nivelliert. Das Rohrnetz bleibt somit stän­

dig mit Wasser gefüllt. Das tägliche Fluten der An lage entfällt und da mit auch die kri­

tischen P hasen mit u ngleichmäßiger Wasserverteilung. Auf den R ingleitungen sind, entsprechend des u nterschied li­

chen Wasserbeda rfs von Zitrusbä u men und Dattelpalme, vier oder fünf Aufsatz­

tropfer m it einer Nenn-Ausflußrate von 8 1/h installiert. Die tatsächliche Aus­

flußrate variiert entsprechend der mo­

menta nen Pumpenleistung. Zu r Vermei­

du ng von Tropferverstopfungen wurde ein 53. ^Jahrgang LANDTECHNIK ^3/98

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Scheibenfilter installiert, welcher manuell gespült wird, da a utomatische R ückspül­

systeme einen zu hohen Betriebsdruck erfo rd ern . Flüssigdünger wird über einen Drucktank eingespeist - eine Technik, die im Gegensatz zur präziseren Venturidüse oder Dosierpumpe auch bei geringem Betriebsdruck a rbeitet.

Bild 3: Lastkennlinie und Solargenerator­

kennlinien für 6, 8 und 10 Module (MPP =

maximum power point) Fig. 3: Load profile and solar generator charac-

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I n Bild 2 ist das Betriebsverhalten der Be­

wässerungsanlage exemplarisch für ei­

nen repräsentativen Tag im J u ni darge­

stellt. Die Tagessumme der G loba lstrah­

lung erreichte einen Wert von 7,9 kW/m2, mit einem Maximum der Strahlungslei­

stung von 980 W/m2. Die Pumpe startete morgens selbsttätig bei einer Einstrah­

lung von etwa 1 00 W und stoppte a bends bei U nterschreitung dieses Wertes. Bei Sonnenhöchststand erreichte der Förder­

strom ein Maximum von 6,5 m3/h bei ei­

ner Gesamtförderhöhe von 8 m. Die Ta­

gesfördermenge summierte sich auf 51 m3. Der leicht asymmetrische Verlauf von Förderhöhe und -strom ist a uf den zunehmenden Druckverlust des Schei­

benfilters zu rückzuführen, hervorgerufen d u rch d ie hohe Algenfracht des Kanal-

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wassers. Der Filter mußte deshalb täglich gereinigt werden.

Der Gesamtwirkungsgrad des PV­

Pumpsystems, a lso die Energieausbeute bei der Wandlung von G loba lstrahlung in hydraulische Leistung, erreichte bei Son­

nenhöchststand ein Maximum von 3 % und lag für sechs Stunden des Tages über 2 % . Dieses Ergebnis liegt im u nteren Be­

reich üblicher PV-Pumpsysteme. Der Wir­

kungsgrad der Pumpe bei der Wa ndlung elektrischer Energie in hydraulische Ener­

gie lag dagegen mit rund 40 % ü ber dem Durchschnitt vergleichbarer Solar­

pumpen. Einen Schwachpunkt stellte der Wirkungsgrad des Solargenerators dar, welcher m it einem Maximum von 7% be­

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des Potentials von etwa 1 2 % blieb.

Einer der Gründe für den reduzierten Generatorwirkungs- grad ist die M inde- rung der Transpa- renz der G lasab- decku ng. Die Tra nsmission einer Modul-Deckscheibe des eingesetzten Typs beträgt im Neu- zustand 95 % . Bei einer Exposition am Versuchsstandort verringert sich die Tra nsm ission konti- n uierlich durch Stau ba blageru ng aus der Atmosphäre.

Nach einer Expositi- onsdauer von d rei

Bild 2: Tagesverlauf von Globalstrahlung, Temperatur, Förder­

strom, Förderhöhe und Wirkungsgrad am 3. 6. 1 997

Fig. 2: Oaily course of solar radiation, tempe­

rature, flow, head and efficiency on 3. 6.

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53, Jahrgang LANDTECHNIK 3/98

Wochen wurde eine Tra nsmission von 80

% gemessen . Entsprechend des Ein­

strahlu ngsverlusts sinkt der potentielle Wirkungsgrad des Sola rgenerators um 20

% . Eine weitere U rsache fü r den geringen Generatorwirkungsgrad liegt in der kon­

servativen Anlagendimensionierung sei­

tens des Herstellers, wie a us der gemein­

samen Darstellung der Generator- und Lastkennlinie im U/1-Diagra m m hervor­

geht ( Bild 3) . Die Lastkennlinie des Pum­

penmotors verlä uft weit a ußerhal b des optimalen Bereichs, welcher d urch den M P P (maximum power point) gekenn­

zeichnet ist. Die für einen 6-Modui-Gene­

rator berechnete Kennlinie zeigt, daß bei­

de Generatorsträ nge um je zwei Mod u le verkürzt werden kön nen, ohne d ie Pum­

penleistung wesentlich zu beeinträchti­

gen . Das entspräche einer Steigerung des Generatorwirkungsgrades von 7 auf rund 1 2 % und einer Reduzierung der Modul­

kosten um 40 % . Weitere U ntersuchungen

Wie die ersten Ergebnisse zeigen, läßt sich der Systemwirku ngsgrad durch d ie Anpassung der installierten Solargenera­

torleistung an d ie Lastkennlinie der Pum­

pe erheblich steigern . Zur weiteren Ver­

besserung des Wirkungsgrades sollen Maßnahmen zur Vermind erung der Sta u ba blagerung u ntersucht sowie Ein­

richtungen zur Reinigung der Module entwickelt werden. Nach Abschluß der tech n ischen Optimierung wird das Anla­

gen konze pt ei ner ökonom ischen Analyse unterzogen , um die Wirtschaftlich keit im Vergleich zu konventionellen Systemen zu u ntersuche n .

Literaturhinweise sind unter LT 98 322 vom Verlag erhältl ich.

Sch l üsselwörter

Solarenergie, Photovoltaik, Tropfbewäs­

seru ng, Baumkultu r

Keywords

Solar energy, photovoltaic, d ri p irrigation, orchard

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