Discussione: Sollevare acqua col sole

Ciao a tutti

Ho un amico che sta lavorando per un progetto in Congo per cui, tra le altre cose, serve portare acqua da un fiume a un villaggio posto a 3 km di distanza con circa 200 m di dislivello.

Mi ha chiesto un parere su quale fosse il sistema più semplice ed economico per pompare l'acqua, tenendo conto che lì manca la corrente elettrica.

La prima idea è stata una pompa idraulica alimentata con pannelli fotovoltaici, ma visto il costo stavamo pensando a qualcosa di più economico.

Mi è venuta in mente un'idea abbastanza originale che però potrebbe funzionare: se riscaldiamo acqua in un serbatoio chiuso trasformandola in vapore, questo andrà in pressione. A quel punto attraverso un tubo posto sotto il serbatoio l'acqua verrebbe spinta su verso il villaggio.
Il riscaldamento verrebbe effettuato con comuni pannelli termici, possibilmente autocostruiti sul posto e a circolazione naturale.

Alcune considerazioni:

-per 200 metri di dislivello servirebbero 200/10.33 = 19.6 bar, approssimato a 20
-a 20 bar l'acqua bolle a 212°C, che mi sembrano eccessivi per un solare termico semplice

si potrebbe pensare di suddividere il dislivello aggiungendo uno o più serbatoi intermedi, a quel punto mi servirebbe conoscere la massima temperatura raggiungibile da un pannello termico. Ad esempio con 150°c servirebbero 4 passaggi da 5 bar l'uno.

Per evitare di mandare in pressione anche i collettori, pensavo di far circolare al loro interno glicole o olio diatermico, per poi farli scambiare con una serpentina metallica nel serbatoio dell'acqua.

Un'altra idea era di inviare su per il tubo vapore piuttosto che acqua, per poi condensarlo all'arrivo. A quel punto la pressione necessaria sarebbe molto minore, poco superiore a quella atmosferica. Il problema sarebbe probabilmente la necessità di avere tubazione più grosse per avere portate decenti e in qualche modo coibentate per non far condensare troppo vapore lungo la strada.

Che ne dite il sistema è fattibile con un basso livello di tecnologia? O avete idee migliori?

Il sistema esiste gia e si chiama POMPA A COLPO D'ARIETE (funziona 24 ore al giorno anche senza sole)
io ne ho una funzionante in montagna e pompa l'acqua a 40mt di altezza ,il suo funzionamento è molto semplice ,non serve nessuna energia ma solo quella dell'acqua in transito nella pompa

Salve janvaljan
La idea di vaporizzare l'acqua alla base per raccogliere le condense in sommità, a parte considerazioni sulle consistenti dispersioni termiche del vapore lungo il percorso, è illogica.
Il calore od entalpia necessaria per questo processo è molto grande, e le rese bassissime.
L'entalpia di ebollizione o calore di vaporizzazione dell'acqua è di circa 2260 kJ/kg = 0,628 kWh (a 100°C)

Un meccanismo funzionale, sensato, ma sempre con rendimenti assai bassi, inferiori al 5-7% può essere una macchina termodinamica ben progettata, una caldaia ed una motrice a vapore alternativa simile ai motori a vapore utilizzati nelle locomotive od in moltissime altre applicazioni industriali nel secolo scorso, abbinata ad una semplice pompa a stantuffo.
(le vecchie pompe manuali per sollevare l'acqua dalla falda, o quelle abbinate alle eoliane multipala nelle zone di maremma)
A questo proposito, ti ricordo le esperienze dei missionari (salesiani?) nei paesi del Sael, dove installano eoliane per il sollevamento dell'acqua di falda.
Altre soluzioni tecnologicamente più avanzate non le vedo possibili per chi parte da conoscenze basilari, ed ancor più per meccanismi da installarsi in paesi africani.
Per quanto riguarda il collettore/pannello, escludendo di utilizzare pannelli a tubi sottovuoto per ragioni economiche e di complessità tecnologica, potresti orientarti a specchi a concentrazione di tipo parabolico o sferico, con la caldaia collocata nel fuoco.
Vedi i seguenti link, molto interessanti, a mio parere.

Concentratore solare

Pompe di calore

concentratore parabolico circolare

collettore solare ad alta resa

Ciao e grazie a entrambi per i suggerimenti.

@renato: molto interessante la pompa ram, non la conoscevo. Semplice ed efficace. Leggo però che può arrivare al massimo a superare dislivelli di un centinaio di metri. Potrebbe essere utile per superare metà del percorso, ma serve qualcosa per l'altra metà.

@Wilmorel: la resa non è il primo problema, di sole ce n'è parecchio e collettori termici autocostruiti non costano granchè. Anch'io di primo acchito ho pensato a un motore termodinamico, ma come tu suggerisce servono temperature più alte che possono essere fornite solo da un concentratore. A quel punto però serve un sistema di puntamento che va progettato e alimentato, ma come?

In effetti la migliore alternativa potrebbe essere l'eoliana, semplice, economica e duratura. Devo però chiedere se nel sito c'è ventosità sufficiente.

Tornando sulla mia proposta, a parte le bassissime rese si può considerare tecnologicamente fattibile?

Prima devi guardare quel che ti serve, cioè la potenza necessaria...
La lunghezza del tubo è l'ipotenusa di un triangolo dove i cateti sono la distanza ed il dislivello: se il villaggio è a 3 km di distanza, l'ipotenusa del triangolo è di 3006, 65m.
3006 metri di tubo DN40 (un pollice e mezzo), con una portata di 0,45 litri/secondo (cioè 1800 l/h), vuol dire avere con acqua a 50° una perdita di carico di 4 mm per metro, che per 3006 metri fa 14,4m di perdita da aggiungere al dislivello.
Perciò, devi superare 215m di colonna d'acqua per far arrivare quella portata fin lassù.

La potenza necessaria è ro*Q*9,81*H
dove ro è la densità, Q è la portata in kg/sec e H la prevalenza in metri di acqua
quindi 1000*0,0045*9,81*215 = 9491 W di potenza idraulica utile della pompa... che però magari rende il 50% (e perciò sono 9491/0,50 = 18982W), la quale però è alimentata es. da un motore eletrico che rende l'85% (e perciò, 18982/0,85 = 22332W di energia elettrica che deve andare al motore.

Un po' tantino, mi sembra, per proporre qualcosa di "semplice ed economico"

Oltretutto si devono usare tubi con PN25, piuttosto costosi: l'ideale sarebbe spezzare l'impianto in 4 tratte ed usare dei tubi PN6, e quindi 4 pompe più piccole (più facili da fare e con tenute più semplici)

Però, così limpianto si complica...

La pompa ram è ottima, ma ricordiamoci che per spingere un litro d'acqua devi averne tre da buttare via.

Mandare vapore per tre km è impensabile, con quella distanza ti condensa tutto per strada, anche col migliore isolamento... a meno che si abbia a disposizione una potenza termica enorme e che lo surriscaldi abbastanza da compensare le dispersioni (550°?). Però, poi ti costa più l'isolamento del resto ( e se hai una potenza simile a disposizione, facci girare un motore... invece di inviare del vapore e disperdere potenza per strada)

Eolico? In Congo? Vicino al mare, forse... altrimenti, nisba.

@livingreen
Come potenza idraulica a me viene 0.45*9.81*215=949 W.
Come tu hai suggerito se si frazionasse il percorso basterebbero potenze corrispondenti al frazionamento, forse con uno o due pannelli fotovoltaici per stazione di pompaggio si riuscirebbe ad avere una portata sufficiente.
Ad esempio con 4 punti di pompaggio, basterebbero 240 W per ogni pompa (con sole pieno naturalmente, altrimenti la potenza scende, quindi anche la portata), sempre parlando di potenza idraulica.
Non mi convince il modo in cui hai quantificato la caduta di pressione, credo sia un problema un po' piu' rilevante.

L'alternativa sarebbe utilizzare energia idraulica, ma bisogna vedere se e' disponibile e rimarrebbe il problema della pompa e dei tubi ad alta pressione.

Mi sa' che la soluzione piu' economica e' proprio quella con fotovoltaico e piu' stazioni di pompaggio.

ciao

...a me viene 0.45*9.81*215=949 W

Anche a me, nel calcolo di livingreen non è 0,0045 ma 0,00045 .... per cui anche ipotizzando una resa al 50% abbiamo che per detta distanza si necessita di una potenza pari a circa 2kW.
Non mi sembra così esagerata come pretesa, sia per un impianto FV con una semplice pompa elettrica che per una macchina termodinamica.
Conosci per caso la portata del fiume in questione? Se fosse sufficente si potrebbe persino pensare ad accoppiare una pompa idraulica direttamente ad una turbina (magari una semplice ruota a pale).
Per quanto riguarda la pompa ram ti posto questo sito, è in inglese ma alquanto dettagliato

Confermo, Livin fa tutto bene ma in effetti se considera la densità deve considerare la portata volumetrica e non quella massica. Quindi o ro*G*9,81*H o Q*9,81*H.

Quindi il calcolo finale con i suoi dati sarebbe 0.45 kg/s * 9.81 m/s² * 215 m = 949 kg*m²/s³ = 950 W

Stimando 2 kW in effetti sembra una potenza ragionevole.

Non è da scartare però la pompa ram; penso che in caso di frazionamento i primi 50-100 metri potrebbero essere coperti con quella. Ottimo sito quello di Lupino, e bella l'idea della distribuzione del progetto stile open source

Per quanto riguarda la portata richiesta, dovrei chiedere nuovamente al mio amico, ma credo che 1800 l/h siano anche troppi. Considerando che il villaggio se non erro è di 2000 abitanti e ipotizzando un fabbisogno di 3 l/giorno a persona, servirebbero 6000 l/g. Considerando sole per 12 ore basterebbero 500 l/h continuativi, anche sovradimensionando per 1000 l/h sono la metà di quelli previsti nei calcoli sopra.

Effettivamente la soluzione più gestibile rimangono i pannelli FV; un sistema termodinamico sarebbe ingegneristicamente interessante ma troppo complicato.

Mi sorge però una domanda: per evitare di avere un inverter per pannello, si potrebbe usare un motore in corrente continua a basso voltaggio per muovere la pompa? Su internet ne ho trovati da 160 W (24 Volt), probabilmente ce ne sono anche di più potenti.

Eheheh, giusto! Ho convertito a mente ed ho dimenticato uno zero, sorry.

La pompa ram nevessita sempre di una certa portata e di una certa velocità dell'acqua. Bisogna sapere quanta ce n'è e quanto si può ottenere...

Non è da scartare però la pompa ram; penso che in caso di frazionamento i primi 50-100 metri potrebbero essere coperti con quella.

Però la pompa ram funzionerebbe h24, ed il solare solo per circa otto ore... il surplus dove finisce?

2000 abitanti e ipotizzando un fabbisogno di 3 l/giorno a persona

Un impianto del genere per soli 3 l/giorno a persona? Con quella quantità possono bere o far da mangiare, non tutti e due... e non si possono lavare. E nemmeno irrigare i vasi di gerani...
Minimo si tratta di una decina di litri/persona, circa mezzo secchio d'acqua a testa. Sono 20000 litri al giorno, su di un periodo utile di circa otto ore (in Congo ci sono dodici ore dall'alba al tramonto, le prime e le ultime due ore non considerarle utili), quindi sono 2500 l/h... avevo persino sottodimensionato

accoppiare una pompa idraulica direttamente ad una turbina (magari una semplice ruota a pale)

buona idea.. pensa magari ad una un po' surdimensionata, così gli porti anche la luce elettrica...

Ho rivisto i calcoli della perdita di carico, dai quaderni Caleffi ho trovato per un DN40 Pn6 a 10 °C, portata 1720 l/h una caduta di 10 mm c.a. (colonna d'acqua) ogni metro, quindi per 3000 metri si ha una caduta di pressione di 30 m, tutto sommato non cambia molto, per 2556 l/h raddoppia.

ciao

Anch'io ho usato la Caleffi, ma la tabella a 50° (visto l'utilizzo in Africa e l'esposizione al sole per 3 km)

Purtroppo nella pompa colpo d'ariete solo 1/20 sale 19 parti servono per generare l'energia , la mia con tubo portata 1" e 2m dislivello l'acqua sale di 40mt la portata è di 20lt/minuto di cui uno sale e 19 escono.
il problema per arrivare a tale altezza sta nella costruzione della pompa ,rischierebbe di spaccarsi causa l'elevata pressione

Livingreen, se si parla del Congo mi sa che le ore di insolazione sono quasi 12 non 8. A prescindere da ciò, secondo me, è preferibile qualunque essa sia, a parità di risultato, la soluzione meno tecnologica possibile. Non credo che in un tale paesaggio l'assistenza su pannelli FV o su eventuali avvolgimenti bruciati sia facilmente reperibile. In ogni caso sono d'accordo con livingreen, non sottostimare il fabbisogno d'acqua, una portata maggiore, se convenientemente "immagazzinata" in serbatoi o, più semplicemente, in laghetti artificiali, permetterebbe a queste persone di superare con relativa facilità eventuali periodi di siccità

Certo che sono 12 ore, e pure esatte... visto che sei all'Equatore.
Ma quelle utili come insolazione sono un po' di meno..

Originariamente inviata da livingreen

.... su di un periodo utile di circa otto ore (in Congo ci sono dodici ore dall'alba al tramonto, le prime e le ultime due ore non considerarle utili)...

P.S.: mi son dimenticato anche dei nebbioni che ci sono da quelle parti, senza contare le stagioni delle piogge (ma suppongo che di acqua ne abbiano abbastanza, in quei momenti...)

Lupino, io ho vissuto tre mesi qui:
http://maps.google.it/maps?t=h&hl=it...,0.216808&z=13

Ciao Livingreen, vedo che non sono l'unico nottambulo... stavo cercando qualche possibile realizzazione che esemplificasse la mia idea, guarda in cosa mi sono imbattuto
Documento senza titolo

Immagino sia stata un esperienza fantastica, mia moglie è stata un mese in Guinea Bissau (spero di non sbagliare a scriverne il nome) come infermiera in una missione ed ancor oggi dopo vent'anni quando ne parla le si illuminano gli occhi.
Vabbè per oggi basta, le 6 arrivano sempre troppo in fretta ... buona notte.

Carini.... ma prevedo pressioni insufficienti in questo caso.

Aggiunta: con la roba che c'è nei fiumi da quelle parti, meglio prevedere anche un sistema integrato di filtrazione e disinfezione, è imperativo!!

Ciao ancora Janvaljan
Con un gruppo di volontariato che interviene anche sul forum, stiamo affrontando la realizzazione di un impianto mini idro a servizio di un ospedale in Congo.
Dalle esperienze maturate in questi mesi, credo di poter dire che le soluzioni più semplici, rustiche e a bassa tecnologia sono quelle da preferirsi nei paesi in via di sviluppo.

Fatta questa premessa, ribadisco che a mio parere potrebbe essere interessante una soluzione tramite concentratore parabolico lineare solare, abbinato con un motore a vapore alternativo accoppiato con una pompa. Data la prevalenza, da dividersi in due o tre stadi.
Un esemplare di concentratore base potrebbe essere acquistato in Italia, e quindi riprodotto localmente con materiali disponibili (semplificato, ovviamente).
Guarda questo link:
SHAP

Per il motore a vapore, ti segnalo questa ditta indiana che produce macchine per l'industrializzazione rurale, ma potrebbero essercene altre, cinesi, brasiliane ecc.
In particolare, motori a vapore fra 3,6 e 14,7 kW.
La mia breve ricerca, non mi ha permesso di scoprirne di italiane od europee. La generalizzata diffusione della elettrificazione ha esaurito le potenziali utenze.
Negli USA esiste invece un mercato "antiquario" per queste macchine un tempo diffusissime.
Welcome To TINYTECH Plants

Per la pompa, visto che il motore descritto, fornisce un moto rotatorio, una pompa/e centrifuga multistadio, adeguatamente dimensionata, con eventuale interposizione di un moltiplicatore a puleggie e cinghie, può essere idonea.
Trovi ditte italiane che producono queste macchine un poco ovunque. Basta una banale ricerca con Google.
Come gia ti dicevo, un dispositivo di questo tipo, può fornire rendimenti finali (all'asse pompa), rapportati alla energia incidente, non superiori al 5-7%.
Ma come dicevi anche tu, il sole è a gratis...

YouTube - Aratura diretta con Trattore a vapore Advance Rumely Universal

YouTube - Trattore a vapore Port Huron

For Sale: Tiny Power W 3 HP Marine Steam Engine ready for service and show FOR SALE

Approvo in pieno la scelta del motore a vapore... del resto ricomincia ad avere anche una certa diffusione in Amazzonia, perciò va bene pure lì.

Ma... quanto sole c'è in Congo? Non è che gli convenga una caldaietta a legna, magari?

E poi... dove stavo io, in una situazione simile (3km di distanza dal fiume, 350m di dislivello) si andava semplicemente al fiume con un Toyota e con una pompetta si riempivano due cubitainer da 1000 litri, e si portavano sulla collina... insieme al pane ed ai generi alimentari...

Originariamente inviata da livingreen

... Non è che gli convenga una caldaietta a legna, magari?...

Caldaia a legna = tabula rasa.
Per chilometri all' intorno, ogni albero arbusto stecco e fuscello finirà (finirebbe) nel fornello.

Ma perchè... adesso cosa usano per cucinare? Fuoco di legna...
E poi, fidati... in una foresta pluviale non riesci nemmeno a consumare metà dei rami caduti, con una caldaietta simile...

Ho fatto una simulazione fotovoltaica, dalle parti del Congo (dati NASA, tilt 0).

Come producibilita' sono circa 1600 kWh/kWp, per mese dai 120 ai 160.

Come irrradiazione mensile dai 16 ai 20 Mj/(mq*gg) per i diversi mesi, quindi abbastanza piatta.

Come radiazione giornaliera (marzo) effettivamente si va' dalle 6 alle 18 ma la curva e' abbastanza appuntita. Alle 7 ed alle 17 siamo sui 0.7 MJ/h, alle 12 2.7 MJ/h, probabilmente per le pompe servirebbe anche un piccolo pacco batterie.

Poi per i concentratori servirebbe la DNI che per ora non so.

ciao

Mah... francamente, mi sembra parecchio. Da quelle parti, io sono rimasto tre mesi ed il sole non l'ho mai visto, e gli indigeni dicono che il cielo azzurro si vede solo dall'aereo...
Meglio informarsi dai locali, credimi.

Alle 17, il sole è già basso: alle 18 c'è il crepuscolo ed alle 18:30 è buio pesto; all'alba, è ovviamente il contrario... prima delle 6:30, non si vede niente.
La cosa va migliorando se ti sposti a sud, dove è più secco e l'insolazione estiva è maggiore (ma quella invernale è minore..)

Io sono stato in Nigeria l'anno scorso in aprile e anche li' il cielo era sempre velato.
Possibile che il simulatore non usasse dati metereologici ?
Si tratta di Solar Calc, utilizzando dati NASA, gli unici per i quali trovava dati per l'Africa.
Fino a conferma sara' meglio prendere i dati che ho indicato con le molle.

ciao

Per quanto riguarda il FV ho trovato questo

Quindi la pompa a "vapore in pressione" esiste e si chiama pompa a colpo d'ariete...
E io, povero illuso, che pensavo di aver fatto la scoperta del secolo...

Prototipo concentratore solare a tubi sottovuoto