Wind-Wasser-Pumpsysteme

Historisch gesehen ist das Pumpen von Windwasser mit Windmühlen und Turbinen möglicherweise eine der frühesten Erfindungen des Menschen. In der Vergangenheit wurde die Energie des Windes für eine breite Palette windbetriebener Anwendungen genutzt, die vom Mahlen von Getreide bis zum Sägen von Holz sowie für viele andere Anwendungen reichten.

Es gibt viele Millionen Menschen auf der ganzen Welt, die keinen Zugang zu einer guten Versorgung mit sauberem Wasser für ihren täglichen Bedarf haben. In vielen dieser Situationen ist Wasser nur aus Brunnen oder Grundwasserleitern verfügbar. Aber um diese Wasserquelle nutzbar zu machen, muss sie zuerst aus diesen Quellen an die Oberfläche gepumpt werden.

Eigenständige windbasierte Energiesysteme sind eine attraktive Lösung, um netzunabhängige Verbraucher an abgelegenen Orten mit sauberem Strom zu versorgen Dadurch sind sie völlig unabhängig von Ölpreisschwankungen. Ein typisches eigenständiges Windenergiesystem besteht im Allgemeinen aus:

• Ein oder mehrere Windturbinengeneratoren zur Nutzbarmachung der Windenergie. Diese können je nach Strombedarf und vorhandenem Windpotential von wenigen Watt (bei Mikro-, Mini- und Kleinanlagen) bis hin zu mehreren Kilowatt reichen.
• Ein geeigneter Energiespeicher. Dies ist im Allgemeinen eine Blei-Säure-Batterie oder ein Array von Batterien, um eine Anzahl von Stunden Autonomie zu ermöglichen, wenn der Wind nicht weht.

Neben der Bereitstellung großer Strommengen zum Laden von Batteriebänken können Windkraftanlagen aber auch zum Pumpen von Wasser eingesetzt werden. Die überwiegende Mehrheit der in der Vergangenheit gebauten Windkraftanlagen wurde für nicht elektrische Anwendungen verwendet “lazy” width=”280″ height=”421″ class=”card-img-top img-fluid p-1 alignleft” title=”Wind-Wasser-Pumpturm” alt=”Wind-Wasser-Pumpen” />Ein Wind-Wasser-Pumpturm

Historisch gesehen waren Windwasserpumpen rein mechanische Geräte, die hoch oben auf einem Holzturm aufgestellt wurden und Wasser für Vieh, Landentwässerung und Bewässerung pumpten. Da Windturbinen kein Wasser verbrauchen, sind sie ideal für den Einsatz in trockenen oder von Dürre heimgesuchten Gebieten.

Heutzutage sind diese mechanisch angetriebenen Wasserpumpen immer noch eine gute Option, aber mit fortschreitender Technologie gibt es auch eine Reihe anderer möglicher Windenergieanwendungen, die ebenfalls Wellenleistung erfordern. Dazu gehören: windelektrische Wasserpumpen und eine herkömmliche windbetriebene Wasserpumpe, die in einem Hybridstromsystem installiert sind.

Die gebräuchlichste Art von windbetriebenem Wasserpumpsystem ist vollständig mechanisch. Ein typisches Windwasserpumpsystem umfasst: den Windrotor, einen Turm, eine mechanische Pumpe, ein mechanisches Gestänge, einen mit Wasser gefüllten Brunnen (oder eine andere derartige Wasserquelle) und Rohrleitungen zur Lieferung des gepumpten Wassers.

Außerdem gibt es vielleicht eine Art Wasserspeicher sowie die Windwasserpumpe. Je nach Anwendung können beispielsweise große Wassertanks, Teiche oder Reservoirs zur Wasserspeicherung verwendet werden.

Zu den wichtigsten Punkten, die bei der Konstruktion einer mechanischen Windwasserpumpe zu berücksichtigen sind, gehören: Konstruktion oder Auswahl der Kombination aus Turbinenrotor und Pumpe, sodass die Pumpengröße und das Design der Windturbinenblätter sowie deren Größe korrekt auf die Gesamtförderhöhe abgestimmt sind. Mehrblattturbinen sind in verschiedenen Durchmessern von 1,5 m bis zu 5 m (6 bis 16 Fuß) erhältlich. Wasserpumpenwellendurchmesser von 20 mm bis 125 mm (3/4’ bis 5’) für das Pumpen von Wasser in kleinem Maßstab.

Es ist wichtig, die Rotorblätter richtig an die Pumpe anzupassen, denn wenn wir B. eine Wasserpumpe mit großem Durchmesser an einer Turbine mit kleinem Durchmesser über einem tiefen Brunnen anbringen, können die Turbinenblätter bei niedriger Windgeschwindigkeit möglicherweise kein ausreichendes Drehmoment erzeugen, um das Wasser auf das erforderliche Niveau zu heben. Dies hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass die Pumpe bis zu einer sehr hohen Windgeschwindigkeit wie eine Bremse wirkt, wo das Drehmoment ausreicht, um zu pumpen.

Wenn wir andererseits eine Pumpe mit kleinem Durchmesser auf eine Turbine mit Blättern mit viel größerem Durchmesser setzen, liefert die Pumpe möglicherweise nur einen kleinen Bruchteil der erforderlichen Wasserkapazität, die wir benötigen, wenn die Windressource verfügbar ist. Außerdem besteht die Gefahr, dass die Pumpe bei hohen Windgeschwindigkeiten beschädigt wird. Dann erfordert das Pumpen von Windwasser naturgemäß normalerweise ziemlich hohe Drehmomente und Pumpen mit niedriger Drehzahl.

Moderne Rotoren mit hoher Schnelllaufzahl zur Stromerzeugung haben nur zwei oder drei Blätter. Die Umwandlung der Windenergie in hydraulische Energie durch ein typisches Windpumpsystem erfordert, dass die Windgeschwindigkeit größer als etwa 5–6 mph (9–10 km/h) ist, damit das Pumpen stattfinden kann. Offensichtlich hängt die Kraft des Windes, der durch die Blätter des Turbinenrotors strömt, um das Wasser anzuheben, vom Gewicht des gepumpten Wassers und der Geschwindigkeit ab, mit der das Wasser fließt.

Dann bestimmen das Gewicht des angehobenen Wassers und die Geschwindigkeit, mit der das Wasser fließt, die Leistung, die von der Turbine an das Pumpsystem geliefert werden muss. Ein tieferer Brunnen bedeutet eine höhere Fallhöhe und eine schwerere Wasserlast, weshalb viele Windwasserpumpsysteme mehrflügelige Konstruktionen verwenden.

Die überwiegende Mehrheit der heute in Betrieb befindlichen windbetriebenen, mechanisch angetriebenen Wasserpumpen sind Typtypen Bauart: Hubkolbenpumpen und Schraubenrotationspumpen.

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Bei einer Hubkolbenpumpe ist die Turbine mit einem Getriebe und einer Kurbelwelle verbunden, die ihre Drehbewegung in eine hin- und hergehende Auf-Ab-Bewegung auf einer Pumpenstange umwandelt, die mit einem Kolben in der Pumpe am Boden des Brunnenrohrs verbunden ist.

Wenn der Kolben durch die Kolbenstange angehoben wird, hebt der Kolben die gesamte Wassermenge darüber und das Wasser fließt oben aus einem Abflussrohr. Gleichzeitig entsteht unter dem Kolben ein leichter Sog oder Vakuum, wodurch Wasser unter den Kolben strömt und den Hohlraum wieder auffüllt.

Während der nächsten Hälfte des Zyklus bewegt sich der Kolben nach unten, wodurch sich ein Kolbenventil öffnet und Wasser in die Oberseite des Kolbens fließt, bereit, während des nächsten Halbzyklus wieder angehoben zu werden.

Der Das bei jedem Hub verdrängte Wasservolumen hängt vom Kolbendurchmesser ab, der dem Innendurchmesser des Zylinders und der Hublänge entspricht. Diese Auf-Ab-Bewegung der Kolbenpumpe bedeutet, dass der Wasserfluss nicht konstant ist, sondern aufgrund dieser Wechselwirkung von Natur aus pulsiert.

Eine viel einfachere Wasserpumpe ist die Spiralschneckenpumpe, die auf einer langen archimedischen Schraubenkonstruktion basiert. Ein Hauptvorteil von Schneckenpumpen liegt in ihrer einfachen Konstruktion, Zuverlässigkeit und niedrigen Drehzahl, was sie ideal für das Hochleistungspumpen mit hohem Volumen macht. Angetrieben durch die Bewegung der Turbinenschaufeln dreht sich die Schraubenpumpe kontinuierlich und erzeugt einen konstanten Wasserfluss an ihrem Auslass.

Eine Schneckenpumpe besteht aus einem vollständig geschlossenen Rohr, das sich in das Bohrloch hinein erstreckt, und einer durchgehenden Spiralschraube, die sich über die gesamte oder einen Teil der Länge des Zylinders erstreckt und somit eine Hebekammer bildet. Während sich die Schnecke dreht, wird eine kleine Menge Wasser von den unteren Blättern aufgenommen. Die Schnecke ist so konstruiert, dass dieses Wasser bei der nächsten Umdrehung zur nächsten Schaufel hochgehoben wird, während die ursprüngliche untere Schaufel eine weitere Menge aufnimmt. Dann ist die Kopfhöhe des angehobenen Wassers die zwischen den Schaufeln.

Durch Eintauchen des unteren Endes in Wasser und Drehen der Schraube wird das Wasser Blatt für Blatt zum oberen Ende gehoben. Die gepumpte Wassermenge hängt vom Durchmesser des Zylinders und der Schnecke, dem Abstand zwischen den Schaufeln und der Rotationsgeschwindigkeit ab. Daher ist der Wirkungsgrad der Schneckenpumpe eine Funktion der Leckageverluste und der Schaufelgeometrie.

Wind Electric Water Pumping System

Aber neben der mechanischen Windwasserpumpe ist es auch möglich, einen Windturbinengenerator zum Pumpen von Wasser zu verwenden (Solarenergie kann auch zum Pumpen von Wasser verwendet werden). Einer der Hauptnachteile einer mechanischen Windwasserpumpe besteht darin, dass sie sich zum Pumpen des Wassers über oder sehr nahe am Wasserreservoir befinden muss. Im Fall von Windkraftanlagen, die Strom zum Pumpen von Wasser liefern, kann die Windkraftanlage jedoch weit entfernt vom Wasserreservoir aufgestellt werden, um die verfügbare Windkraft an diesem Ort zu maximieren.

Bei einer typischen windelektrischen Wasserpumpe könnte der Windturbinengenerator, der zum Antreiben des Systems verwendet wird, irgendein herkömmlicher Windturbinengenerator sein, der für eigenständige netzunabhängige Anwendungen verwendet wird. Anstatt dass der erzeugte Strom zum Laden von Batterien oder zum Betreiben des Hauses verwendet wird, kann der Strom direkt zur Versorgung einer elektrisch angetriebenen Wasserpumpe verwendet werden.

Elektrische Wasserpumpen, die an eine Steckdose angeschlossen sind, verwenden in der Regel Wechselstrom Strom (AC) sind vom Zentrifugaltyp und werden von herkömmlichen Induktionsmaschinen angetrieben. Außerdem sind die Windturbinengeneratoren, die in Heimwindstromanwendungen verwendet werden, typischerweise Hochgeschwindigkeits-Wechselstromgeneratoren mit Permanentmagneten, die 120 oder 240 Volt Strom an das Heim- oder Versorgungsnetz liefern.

Windelektrische Wasserpumpsysteme sind für die Verwendung von 12- oder 24-Volt-Gleichstrom (DC) mit niedriger Spannung ausgelegt, der von einer Windkraftanlage bereitgestellt wird. Anstatt einen Wechselstrommotor zum Antreiben der Wasserpumpe zu verwenden, könnte auch ein Gleichstrommotor mit einer mit dem Gleichstrom-Turbinengenerator kompatiblen Spannung und Nennleistung verwendet werden, wodurch er direkt mit dem Pumpenmotor verbunden werden kann. Der Vorteil hierbei ist, dass durch die reine Stromversorgung der Last ein hohes Anlaufdrehmoment und ein niedriges Spitzendrehzahlverhältnis bei dieser Art von Anordnung keine mehrblättrigen Rotoren erforderlich sind.

Auch durch die Verwendung einer windelektrischen Wasserpumpe System-, Druck- und/oder Schwimmerschalter und möglicherweise irgendeine Art von Mikrocontroller können verwendet werden, um die Wasserpumpe bei Bedarf ein- oder auszuschalten sowie zu Steuerungszwecken. Mit geeigneten Steuerungen würden die Turbine und die Pumpe nur dann arbeiten, wenn das Wasser benötigt wird, oder über einen Bereich unterschiedlicher Sauggeschwindigkeiten.

Im Gegensatz zu einem mechanischen Wasserpumpsystem, das die Verfügbarkeit des Windes zum Pumpen von Wasser benötigt, könnte ein elektrisches Windwasserpumpensystem Batterien verwenden, um die Windenergie zu speichern, so dass das Wasser auch in windschwachen Zeiten noch zugeführt werden kann. Ein computergesteuertes elektrisches Windpumpsystem könnte sogar so konfiguriert werden, dass es ein Wasserfiltersystem betreibt, um das Wasser für den Hausgebrauch zu reinigen, oder eine oder mehrere Pumpen von einem einzelnen Windturbinengenerator aus steuert.

Windkraftanlagen sind gut geeignet, um den Strom aus einer erneuerbaren Energiequelle zu nutzen. Das Windwasserpumpen hat den Vorteil, dass es eine effektive und kostengünstige Lösung ist, um sicherzustellen, dass Ihr Wasser auf umweltfreundliche Weise gepumpt wird. Ein Nachteil von mechanisch angetriebenen Pumpen besteht darin, dass sie über der Wasserressource aufgestellt werden müssen, während elektrisch angetriebene Pumpen in einiger Entfernung vom Turbinengenerator aufgestellt werden können, wobei die Stromversorgung über ein elektrisches Kabel erfolgt.

Der Vorteil von Ein windelektrisches Wasserpumpsystem besteht darin, dass es so konfiguriert werden kann, dass es auch in Zeiten ohne Wind automatisch Wasser pumpt und speichert. Da es sich auch um ein elektrisches System handelt, kann bei steigendem Wasserbedarf nur ein Wind- oder ein hybrides Wind-/Solar-Wasserpumpsystem verwendet werden.

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