液控太陽能光電水泵的製作方法
2023-05-26 20:55:46
專利名稱：液控太陽能光電水泵的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種液控太陽能光電水泵，該泵屬於應用太陽能光電技術的一種光電水泵類。眾所周知，被稱為生命之源的水是很寶貴的，隨之開發出的光電水泵主要用來解決世界上廣大無電(缺電)無水(缺水)地區的人畜飲水和灌溉及邊防哨所用水問題。在我國新疆、內蒙、西藏、雲南、青海、甘肅、寧夏和河南等地區用水問題尤為突出，長期以來一直嚴重地困擾著當地居民的生活和經濟的發展，這一問題已被當局定為頭等大事，即必須要儘快實施的重大工程。
現有的光電水泵主要由下列四部分組成，太陽能電池、逆變器、交流電機和離心式水泵。其缺點是效率低，由逆變器將太陽能直流電源變成恆壓三相交流電源並使其具有變頻調速功能，此部分的平均效率為75～80％(功率為1KW～2KW)，而電機的效率為73～79％(功率為0.55KW～1.5KW)，小型離心水泵的效率為35～50％，因此總效率通常為20～35％。另外，隨著揚程的增大離心式水泵的效率隨之降低。
綜上所述可以認為迄今為止還沒有開發出在技術上有突破性進展而在實際上又能有效工作的這類水泵。
本實用新型的任務在於提出一種全新的利用機電液一體化技術設計的液控太陽能光電水泵。此種泵的總效率在揚程為22m時可達54％。而且隨揚程增加效率反而增加，它既適用小流量、低揚程，更適於大流量、高揚程(揚程50m～200m，甚至更高，流量20m3/h以上)。
實施本實用新型的技術措施是，該泵主要包括太陽能電源、最佳功率跟蹤器、液壓發動機、液壓油源和活塞式水泵及其相關電路和油路。
其中該太陽能電源由功率大小不等的65塊太陽能電池分別按照六種不同的矩陣方式組成。這些矩陣設成能隨著太陽光照度變化不斷相互轉換，以形成輸出電流不變的恆流源。太陽能電池組被分成基本單元和小於基本單元的非基本單元，由它們分別組成不同的矩陣。
該最佳功率跟蹤器是一種變換器和控制器，該最佳功率跟蹤器由六個控制區組成，第I控制區中一個窗式比較器的負端串聯兩個調壓電阻，中端通過一個電阻連接一個三極體，該三極體則連接一個控制繼電器和一組接通太陽能電池組對應矩陣電路用的繼電器；第II控制區到第VI控制區相同，每個控制區都連接有兩個窗式比較器，其一正端串聯電阻，另一負端串聯電阻，其中端連接一個與門，該與門經由一個電阻連接一個三極體，而該三極體也連接一個控制繼電器及一組接通太陽能電池組相應矩陣電路用的繼電器，每個控制區中的比較器都設置有門限電壓值，它由15V電源經由電阻分壓而成；該跟蹤器中有一個啟動信號電路，它由15V電源連接分壓電阻和帶有自鎖功能的通斷繼電器組成；各控制區中都有排它性電路，它分別將每區中的控制繼電器的兩個常閉觸點分別串聯在前後兩個控制區中的控制電路中；還有一個延時裝置，它由電路中連接的一個較大電容及一個分壓電阻組成；設置一個控制信號電壓，它由太陽能電池組的總輸出電壓經由電路中兩個串聯的分壓電阻形成，此分壓後的電壓即為控制信號電壓；該液壓發動機主要由一個油缸和一個液壓換向閥組成，其中油缸是單向驅動式，僅下腔進油或回油，上腔為空腔通大氣，該油缸與油源中的蓄能器、油泵組成一種節能裝置，其液壓換向閥的閥體中間設有一個滑閥，其右端連接一個頂杆，而左端則緊靠一個復位彈簧，還設有一個進油節流孔；該液壓油源主要包含電機驅動的油泵，首先經由管路一端連通油箱，另端連接單向閥，進而分別通向蓄能器、精濾器、壓力表和溢流閥形成油泵系統；該活塞式水泵中錐閥的錐度為30°角，其下面為一空心圓柱體，其長度為直徑的5倍，它與定位套筒滑配合，該空心圓柱體設成只留互成120°角的三根肋，每個肋的圓柱面只留5mm的寬度，兩邊多餘部分設成倒角，錐閥與定位套筒上端面接觸部分為一條圓周線。
以下結合附圖所示的實施例，對本實用新型作進一步說明。
圖1是本實用新型的整機示意圖。
圖2是本實用新型的太陽能電源的六種矩陣圖。
圖3是本實用新型的最佳功率跟蹤器的電路原理圖。
圖4是液壓發動機原理圖。
圖5是錐閥式水泵結構圖。
由
圖1看出本實用新型由太陽能電源1、最佳功率跟蹤器2、油源3、液壓發動機4、活塞式水泵5、拉杆6、水管7等部分組成。此外深水井的井壁8。
圖2為本實用新型所述的由65塊太陽能電池組成的六種矩陣圖。圖中的「O」表示電池的一個基本單元(用a表示其峰瓦值)，它等於太陽能電池總峰瓦的1/50，今設總峰瓦為W∑，則a＝W∑/50，這樣的單元共有44個；圖中「×」是電池中的非基本單元，其峰瓦值用b來表示，b＝1/2a＝W∑/100；圖中「V」也為非基本單元，其峰瓦值用c表示，c＝1/2b＝1/4a＝W∑/200，圖中的「·」也是非基本單元，用d表示其峰瓦值，d＝a/7。圖中的正方形表示由25個基本單元a組成的5×5正方矩陣。顯然圖(I)為10×5的矩陣，表示太陽光照度為最好的時段，其電壓最高。因此電機的轉速也最高，水的流量也最大。隨著太陽光照度的改變，太陽能電池的功率開始減小，但與之相連接的電機負載卻不變，因此所需電流也不變，這樣一來太陽能電池的電壓便急驟下降，以致遠離最佳功率點，使太陽能電池利用效率大大降低。此時最佳功率跟蹤器感受到這種變化，驅動電路使太陽能電池由圖I的矩陣形式改成圖II的矩陣形式。即由原5路並聯增加到6路並聯，以彌補電流的不足，這時每個單元的電壓又回升到最佳功率點的電壓附近。以此類推，隨著太陽光照度的進一步變弱，最佳功率跟蹤器將使太陽能電池陣列依次由圖(I)變成圖(VI)。顯然，圖(VI)陣列的電壓僅為圖(I)陣列的一半，而並聯數卻增加一倍，以保證電流不變。
今假設每個單元最佳功率點的電壓為15V，則其變化範圍在14～16V之間即近似認為工作在最佳功率區，對於圖(I)來說其電壓允許的變化範圍為140～160V，而對於圖(II)的電壓變化範圍為9(14～16)＝126～144V。以此類推，可得出圖(I)～圖(VI)的電壓變化範圍，見下表。
如果通過最佳功率跟蹤器能保證實現上述轉換。便可認為實現了最佳功率的跟蹤。
圖3為本實用新型的最佳功率跟蹤器電路原理圖。圖中電路分成6個控制區，分別與圖2中的6個矩陣相對應，先以第I控制區為例加以介紹。如前所述對10×5矩陣來說其電壓應在160～140V之間才能保證太陽能電源工作在最佳功率區。當負載匹配合理時上限可以去掉，一般電壓不會大於160伏，否則便是設計不當，電源功率選得過大造成浪費。由圖3看出I區中有一個窗式比較器B12，其下限U12通過R13和R14調成14伏。U1為太陽能電池總輸出，經過R1與R2的分壓使控制電壓Uk＝0.1Ut。當Uk＞U12＝14伏時比較器B12輸出高壓，使三極體T1導通，於是繼電器J1m工作，使其常開觸點J1m-1閉合，於是一組繼電器工作，通過它們的常開觸點的閉合連成了圖2中矩陣I的線路，於是電機轉動並帶動油泵轉動，從而發動機工作並通過連杆帶動井下水泵開始抽水。由於此時電壓最高，直流電機的轉速也最高，因此抽水的流量也最大。隨著太陽光照度的變弱，太陽能電池的功率開始下降，因此電源電壓Ut將小於140伏，於是比較器B12輸出低電壓，三極體T1使a1b1之間斷開，於是J1m-1觸點斷開，維持矩陣I的連接電路全部斷開。與此同時，Uk落在了第II控制區的兩個窗式比較器的上、下限電壓之間，於是比較器B21與B22均輸出高壓電，因此與門YU2導通並輸出高壓，迫使三極體T2飽和導通a2b2，依同理常開觸點T2m-1閉合，於是通過另一群繼電器的觸點又組成了矩陣II的電路。隨著太陽光照度的繼續減弱，依次導通III區、IV區、V區和VI區，直至停止工作。由上面介紹可以看出太陽能電池始終工作在最佳功率區。
下面將分別介紹圖3中的其它功能。
1.啟動信號電路圖3中由R3、J7m-1和15伏電源組成了啟動信號電路。當由於太陽光照度太小而停止工作以後各個矩陣所對應的繼電器觸點全部斷開，因此65個太陽能電池均處在互不相連的散亂狀態，Ut＝0。當第二天太陽升起時由於無控制信號電源將無法工作。此時啟動信號電路發出輔助控制信號U′k，它將以7.5伏的電壓信號輸入系統，並落在第VI控制區的兩個門限電壓之間，因此組成了矩陣VI，但同時繼電器J6m的另一個觸點J6m-2導通，使f1f2接通，繼電器J7m導通，因此其觸點J7m-1斷開，將U′k切斷，這一瞬間動作是靠R2C組成的延時網絡來完成的。以後控制電壓Uk又由Ut來決定。應該說明的是當繼電器J7m導通後，其常開觸點J7m-2閉合，形成自鎖，即便繼電器J6m斷電，J6m-2斷開，f1f2仍然導通，因此輔助控制信號U′k永遠被切斷，直到停機斷電J7m-1才再次接通並發出啟動信號。
2.排它性電路當控制信號Uk開始接近其上或下門限值時，與其相鄰的控制區也將被接通，因為相鄰兩個控制區的門限值有重疊部分。為了防止這種現象發生，每個控制區都有排它性功能。即當某個控制區接通以後與其相鄰的上、下兩個控制區都被切斷。例如第II控制區導通後，其繼電器J2m的另兩個常閉觸點J2m-2與J2m-3分別將兩個控制區III與控制區I同時切斷。其它控制區也都具有此功能。
3.電容C的雙重作用(1)控制信號電壓的暫存作用當控制信號電壓剛剛移出窗式比較器的門限值的瞬間，該控制區支持的矩陣電路立即斷開，而下一個控制區尚未建立。因此控制信號電壓無法形成。為此引進一個C＝20μ的較大電容，它與R2配合組成延時裝置可產生時間常數為2秒的慣性滯後過程。雖然因矩陣電路斷開瞬間Vt已不存在，但Uk在t＝0+的瞬間仍然存留，它使下一個控制區得以建成。同理前述的啟動信號U′k的通斷也是靠R2C迴路的慣性滯後來完成的。
2.濾波作用當控制信號電壓Uk接近一個門限時，由於相鄰兩個控制區的門限有部分重疊，使Uk產生微小的高頻振動，導致繼電器觸點因高頻振動而燒毀。有了R2C迴路就可將Uk中的高頻分量濾掉，從而消除了這種振蕩。
圖4是本實用新型的液壓發動機原理圖。其中換向閥23由閥體22、彈簧9、滑閥10、頂杆17等四部分組成。Ps為來自油源的高壓油，滑閥10被彈簧9推向下極端，這時高壓油沿口12進入閥體22的中腔，並由口13和口14進入油缸的下腔15，因而將活塞16推向上方，從而帶動水泵的連杆6一起向上運動，達到抽水的目的。當活塞16上移至上極端時便將頂杆17推向上方，並帶動滑閥10克服彈簧力向上運動，因而進油口12被滑閥下端凸肩堵死，同時打開回油窗口18，使油缸下腔油沿回油通道19流回油箱。油缸活塞16在水泵活塞及連杆6等重力作用下開始向下運動。在滑閥10被推向上極端時也將窗口20打開，於是高壓油經過節流孔11進入滑閥的下腔21，因此當油缸活塞16下降時滑閥在高壓油作用下仍然停在上極端位置，這便是換向閥的記憶功能。當油缸活塞下行至下死點時活塞杆24上的環槽25與油缸體上的水平直孔27相通，於是換向閥23的下腔21便通過窗口29、通道26、水平孔27和通道28與回油相通。由於高壓油通過節流孔11與換向閥23的下腔21相通，因此此時換向閥下腔21的壓力幾乎為零，於是閥芯10在彈簧9作用下向下移動並堵死進油窗口20和放油窗口18，同時打開了高壓油窗口12，因而油缸活塞16在高壓油作用下又開始上升，同時關閉通道26和28之間的通道。由於換向閥的進油口20被閥芯下凸肩堵死，閥芯並不上移，這便是換向閥的第二個記憶功能。當油缸活塞向上運動又開始了上述的重複過程。這便是液壓發動機的工作原理。
這裡應說明的是本實用新型的油缸採用單腔控制式，只在其向上抬起時下腔15才通入高壓油，而下降時上腔30並不通入高壓油，始終是空的。當油缸活塞16下降時油泵打出的高壓油存入油源的蓄能器31之中，當活塞16向上運動時由蓄能器31及油泵32一起向其下腔15供油，因而活塞的運動速度提高一倍，即抽水的效率提高一倍。
圖4中的油源主要由油泵32、溢流閥33、精油濾34、單向閥35、電機36和壓力表37等組成。由最佳功率跟蹤器與太陽能電源形成的恆流直流電源輸給直流電機36使其帶動油泵32產生壓力可調的油泵系統以供給液壓發動機工作。
圖5是活塞式水泵5的結構原理圖。圖中水泵缸體50、固定活門54，它由活門套筒41、定位套筒53、錐閥56、密封圈55、密封墊片57、花藍螺母38和回位彈簧39等組成。其中錐閥56的錐度為30°角，下部為一起導向作用的空心圓柱體，其長度為直徑的5倍，它與定位套筒之間為滑配合。為防止砂粒進入其間，特將此空心圓柱體設成只有互成120°角的三個肋，而肋的兩側都設成倒角，實際上三個肋的外側只有寬5mm的部分是原來圓柱體的一部分，它起到定位作用並令其與定位套筒滑配合，因此砂子不會進入兩者之間。錐閥56的錐部與套筒上端面的接觸乃是一條垂直於錐閥軸線的圓周線，這樣既保證了密封性又使砂粒難以停住，因此很好地達到密封與防砂作用。
移動活門61與固定活門54相同，只是前者固定在水泵的活塞上。在定位套筒42的外側多一個凸肩52，它起到活塞的作用，其上有個活塞環51，活塞環上套有一個起密封作用的皮碗59，它可以是橡膠製品也可以是聚四氟乙烯製品。皮碗上有一個壓緊螺母60。這裡花藍螺母44既起到固定彈簧49的作用又是活塞與活塞杆47間的連接件，並用鎖緊螺母62將其鎖緊。實際上花藍螺母44、定位套筒42、壓緊螺母60、皮碗59和活塞環51等五件構成了水泵的活塞部件。其活塞杆47藉助萬向接頭46與拉杆6相連接。在水泵缸體50與水管7之間通過一個帶有錐管的連接管45相連接。在固定活門套筒41的下端有一個過濾網40。
水泵的工作原理是當拉杆上升時帶動活塞上行，於是活塞下腔58形成負壓，在周圍大氣壓力作用下固定活門54中的錐閥56被井水推開，水便進入活塞下腔58並且充滿全腔。當活塞下行時下腔58中的水被擠壓，迫使固定活門中的錐閥56關閉，同時將活塞上的錐閥43頂開，於是隨著活塞的下移將下腔58中的水全部擠進活塞上腔48。當活塞再次上行時固定活門中的錐閥又被打開，同時活塞上的錐閥關閉，如此往復便將水抽到地面上來。若將水泵浸入水面下一段距離，其效果更好。由於活塞及二個錐閥密封性極好，加之具有防砂性，實際上水泵的容積效率可達百分之百。
綜上所述，本實用新型具有下列特點(1)效率高。當流量為3m3/h，揚程為22m時，水泵的效率為69.9％，總效率為54％。隨著揚程的提高，流量的增加，總效率可增加到70％以上；(2)應用範圍廣。既適用於小流量(0.5m3/h)、低揚程(20m以下)，更適用於大流量(20m3/h以上)、高揚程(200m以上)；(3)無任何環境汙染。本實用新型實際上是一種綠色工程；(4)由於以太陽能作為動力，本實用新型是21世紀聯合國及世界各國大力提倡的再生能源利用工程；(5)如果發展成戶用型，可以解決我國上百萬人口的飲水問題。
權利要求1.一種液控太陽能光電水泵，主要包括太陽能電源、最佳功率跟蹤器、液壓發動機、液壓油源與活塞式水泵及其相關電路和油路，其特徵在於該太陽能電源由功率大小不等的65塊太陽能電池分別按照六種不同的矩陣方式組成，這些矩陣設成能隨著太陽光照度變化不斷相互轉換，以形成輸出電流不變的恆流源；該最佳功率跟蹤器是一種變換器和控制器，該最佳功率跟蹤器由六個控制區組成，第I控制區中一個窗式比較器的負端串聯兩個調壓電阻，中端通過一個電阻連接一個三極體，該三極體則連接一個控制繼電器和一組接通太陽能電池組對應矩陣電路用的繼電器；第II控制區到第VI控制區相同，每個控制區都連接有兩個窗式比較器，其一正端串聯電阻，另一負端串聯電阻，其中端連接一個與門，該與門經由一個電阻連接一個三極體，而該三極體也連接一個控制繼電器及一組接通太陽能電池組相應矩陣電路用的繼電器，每個控制區中的比較器都設置有門限電壓值，它由15V電源經由電阻分壓而成；該液壓發動機主要由一個油缸和一個液壓換向閥組成，其液壓換向閥的閥體中間設有一個滑閥，其右端連接一個頂杆，而左端則緊靠一個復位彈簧，還設有一個進油節流孔；該液壓油源主要包含電機驅動的油泵，首先經由管路一端連通油箱，另端連接單向閥，進而分別通向蓄能器、精濾器、壓力表和溢流閥形成油泵系統；該活塞式水泵中錐閥的錐度為30°角，其下面為一空心圓柱體，其長度為直徑的5倍，它與定位套筒滑配合，該空心圓柱體設成只留互成120°角的三根肋，每個肋的圓柱面只留5mm的寬度，兩邊多餘部分設成倒角，錐閥與定位套筒上端面接觸部分為一條圓周線。
2.按權利要求1中所述的液控太陽能光電水泵，其特徵在於太陽能電池組被分成基本單元和小於基本單元的非基本單元，由它們分別組成不同的矩陣。
3.按權利要求1中所述的液控太陽能光電水泵，其特徵在於最佳功率跟蹤器的六個控制區中都有排它性電路，它分別將每個區中的控制繼電器的兩個常閉觸點分別串聯在前後兩個控制區中的控制電路中。
4.按權利要求1中所述的液控太陽能光電水泵，其特徵在於最佳功率跟蹤器中有一個啟動信號電路，它由15V電源連接分壓電阻和帶有自鎖功能的通斷繼電器組成的電路。
5.按權利要求1中所述的液控太陽能光電電泵，其特徵在於最佳功率跟蹤器中有一個延時裝置，它由電路中連接的一個較大電容及一個分壓電阻組成。
6.按權利要求1中所述的液控太陽能光電水泵，其特徵在於最佳功率跟蹤器中設置一個控制信號電壓，它由太陽能電池組的總輸出電壓經由電路中兩個串聯的分壓電阻形成，此分壓後的電壓即為控制信號電壓。
7.按權利要求1中所述的液控太陽能光電水泵，其特徵在於液壓發動機中的油缸是單向驅動式，僅下腔進油或回油，上腔為空腔通大氣，該油缸與油源中的蓄能器、油泵組成一種節能裝置。
專利摘要本實用新型液控太陽能光電水泵由太陽能電源,最佳功率跟蹤器、液壓發動機、油源和活塞式水泵組成。該太陽能電源由功率不等的65塊太陽能電池按照六種矩陣方式組成,並設成能隨陽光照度變化不斷相互轉換以形成恆流源。最佳功率跟蹤器由六個控制區組成,設有啟動信號電路、延時裝置和控制信號電壓;液壓發動機主要包含油缸和液壓換向閥;活塞式水泵的錐閥下面空心圓柱體設成只留互成120°三根肋,使錐閥接觸為一圓周線。該水泵特點是效率高和應用範圍廣。
文檔編號F03G6/00GK2403911SQ99255180
公開日2000年11月1日 申請日期1999年11月30日 優先權日1999年11月30日
發明者劉長年 申請人:劉長年