专利名称：液控太阳能光电水泵的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种液控太阳能光电水泵，该泵属于应用太阳能光电技术的一种光电水泵类。众所周知，被称为生命之源的水是很宝贵的，随之开发出的光电水泵主要用来解决世界上广大无电(缺电)无水(缺水)地区的人畜饮水和灌溉及边防哨所用水问题。在我国新疆、内蒙、西藏、云南、青海、甘肃、宁夏和河南等地区用水问题尤为突出，长期以来一直严重地困扰着当地居民的生活和经济的发展，这一问题已被当局定为头等大事，即必须要尽快实施的重大工程。
现有的光电水泵主要由下列四部分组成，太阳能电池、逆变器、交流电机和离心式水泵。其缺点是效率低，由逆变器将太阳能直流电源变成恒压三相交流电源并使其具有变频调速功能，此部分的平均效率为75～80％(功率为1KW～2KW)，而电机的效率为73～79％(功率为0.55KW～1.5KW)，小型离心水泵的效率为35～50％，因此总效率通常为20～35％。另外，随着扬程的增大离心式水泵的效率随之降低。
综上所述可以认为迄今为止还没有开发出在技术上有突破性进展而在实际上又能有效工作的这类水泵。
本实用新型的任务在于提出一种全新的利用机电液一体化技术设计的液控太阳能光电水泵。此种泵的总效率在扬程为22m时可达54％。而且随扬程增加效率反而增加，它既适用小流量、低扬程，更适于大流量、高扬程(扬程50m～200m，甚至更高，流量20m3/h以上)。
实施本实用新型的技术措施是，该泵主要包括太阳能电源、最佳功率跟踪器、液压发动机、液压油源和活塞式水泵及其相关电路和油路。
其中该太阳能电源由功率大小不等的65块太阳能电池分别按照六种不同的矩阵方式组成。这些矩阵设成能随着太阳光照度变化不断相互转换，以形成输出电流不变的恒流源。太阳能电池组被分成基本单元和小于基本单元的非基本单元，由它们分别组成不同的矩阵。
该最佳功率跟踪器是一种变换器和控制器，该最佳功率跟踪器由六个控制区组成，第I控制区中一个窗式比较器的负端串联两个调压电阻，中端通过一个电阻连接一个三极管，该三极管则连接一个控制继电器和一组接通太阳能电池组对应矩阵电路用的继电器；第II控制区到第VI控制区相同，每个控制区都连接有两个窗式比较器，其一正端串联电阻，另一负端串联电阻，其中端连接一个与门，该与门经由一个电阻连接一个三极管，而该三极管也连接一个控制继电器及一组接通太阳能电池组相应矩阵电路用的继电器，每个控制区中的比较器都设置有门限电压值，它由15V电源经由电阻分压而成；该跟踪器中有一个启动信号电路，它由15V电源连接分压电阻和带有自锁功能的通断继电器组成；各控制区中都有排它性电路，它分别将每区中的控制继电器的两个常闭触点分别串联在前后两个控制区中的控制电路中；还有一个延时装置，它由电路中连接的一个较大电容及一个分压电阻组成；设置一个控制信号电压，它由太阳能电池组的总输出电压经由电路中两个串联的分压电阻形成，此分压后的电压即为控制信号电压；该液压发动机主要由一个油缸和一个液压换向阀组成，其中油缸是单向驱动式，仅下腔进油或回油，上腔为空腔通大气，该油缸与油源中的蓄能器、油泵组成一种节能装置，其液压换向阀的阀体中间设有一个滑阀，其右端连接一个顶杆，而左端则紧靠一个复位弹簧，还设有一个进油节流孔；该液压油源主要包含电机驱动的油泵，首先经由管路一端连通油箱，另端连接单向阀，进而分别通向蓄能器、精滤器、压力表和溢流阀形成油泵系统；该活塞式水泵中锥阀的锥度为30°角，其下面为一空心圆柱体，其长度为直径的5倍，它与定位套筒滑配合，该空心圆柱体设成只留互成120°角的三根肋，每个肋的圆柱面只留5mm的宽度，两边多余部分设成倒角，锥阀与定位套筒上端面接触部分为一条圆周线。
以下结合附图所示的实施例，对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的整机示意图。
图2是本实用新型的太阳能电源的六种矩阵图。
图3是本实用新型的最佳功率跟踪器的电路原理图。
图4是液压发动机原理图。
图5是锥阀式水泵结构图。
由
图1看出本实用新型由太阳能电源1、最佳功率跟踪器2、油源3、液压发动机4、活塞式水泵5、拉杆6、水管7等部分组成。此外深水井的井壁8。
图2为本实用新型所述的由65块太阳能电池组成的六种矩阵图。图中的“O”表示电池的一个基本单元(用a表示其峰瓦值)，它等于太阳能电池总峰瓦的1/50，今设总峰瓦为W∑，则a＝W∑/50，这样的单元共有44个；图中“×”是电池中的非基本单元，其峰瓦值用b来表示，b＝1/2a＝W∑/100；图中“V”也为非基本单元，其峰瓦值用c表示，c＝1/2b＝1/4a＝W∑/200，图中的“·”也是非基本单元，用d表示其峰瓦值，d＝a/7。图中的正方形表示由25个基本单元a组成的5×5正方矩阵。显然图(I)为10×5的矩阵，表示太阳光照度为最好的时段，其电压最高。因此电机的转速也最高，水的流量也最大。随着太阳光照度的改变，太阳能电池的功率开始减小，但与之相连接的电机负载却不变，因此所需电流也不变，这样一来太阳能电池的电压便急骤下降，以致远离最佳功率点，使太阳能电池利用效率大大降低。此时最佳功率跟踪器感受到这种变化，驱动电路使太阳能电池由图I的矩阵形式改成图II的矩阵形式。即由原5路并联增加到6路并联，以弥补电流的不足，这时每个单元的电压又回升到最佳功率点的电压附近。以此类推，随着太阳光照度的进一步变弱，最佳功率跟踪器将使太阳能电池阵列依次由图(I)变成图(VI)。显然，图(VI)阵列的电压仅为图(I)阵列的一半，而并联数却增加一倍，以保证电流不变。
今假设每个单元最佳功率点的电压为15V，则其变化范围在14～16V之间即近似认为工作在最佳功率区，对于图(I)来说其电压允许的变化范围为140～160V，而对于图(II)的电压变化范围为9(14～16)＝126～144V。以此类推，可得出图(I)～图(VI)的电压变化范围，见下表。
如果通过最佳功率跟踪器能保证实现上述转换。便可认为实现了最佳功率的跟踪。
图3为本实用新型的最佳功率跟踪器电路原理图。图中电路分成6个控制区，分别与图2中的6个矩阵相对应，先以第I控制区为例加以介绍。如前所述对10×5矩阵来说其电压应在160～140V之间才能保证太阳能电源工作在最佳功率区。当负载匹配合理时上限可以去掉，一般电压不会大于160伏，否则便是设计不当，电源功率选得过大造成浪费。由图3看出I区中有一个窗式比较器B12，其下限U12通过R13和R14调成14伏。U1为太阳能电池总输出，经过R1与R2的分压使控制电压Uk＝0.1Ut。当Uk＞U12＝14伏时比较器B12输出高压，使三极管T1导通，于是继电器J1m工作，使其常开触点J1m-1闭合，于是一组继电器工作，通过它们的常开触点的闭合连成了图2中矩阵I的线路，于是电机转动并带动油泵转动，从而发动机工作并通过连杆带动井下水泵开始抽水。由于此时电压最高，直流电机的转速也最高，因此抽水的流量也最大。随着太阳光照度的变弱，太阳能电池的功率开始下降，因此电源电压Ut将小于140伏，于是比较器B12输出低电压，三极管T1使a1b1之间断开，于是J1m-1触点断开，维持矩阵I的连接电路全部断开。与此同时，Uk落在了第II控制区的两个窗式比较器的上、下限电压之间，于是比较器B21与B22均输出高压电，因此与门YU2导通并输出高压，迫使三极管T2饱和导通a2b2，依同理常开触点T2m-1闭合，于是通过另一群继电器的触点又组成了矩阵II的电路。随着太阳光照度的继续减弱，依次导通III区、IV区、V区和VI区，直至停止工作。由上面介绍可以看出太阳能电池始终工作在最佳功率区。
下面将分别介绍图3中的其它功能。
1.启动信号电路图3中由R3、J7m-1和15伏电源组成了启动信号电路。当由于太阳光照度太小而停止工作以后各个矩阵所对应的继电器触点全部断开，因此65个太阳能电池均处在互不相连的散乱状态，Ut＝0。当第二天太阳升起时由于无控制信号电源将无法工作。此时启动信号电路发出辅助控制信号U′k，它将以7.5伏的电压信号输入系统，并落在第VI控制区的两个门限电压之间，因此组成了矩阵VI，但同时继电器J6m的另一个触点J6m-2导通，使f1f2接通，继电器J7m导通，因此其触点J7m-1断开，将U′k切断，这一瞬间动作是靠R2C组成的延时网络来完成的。以后控制电压Uk又由Ut来决定。应该说明的是当继电器J7m导通后，其常开触点J7m-2闭合，形成自锁，即便继电器J6m断电，J6m-2断开，f1f2仍然导通，因此辅助控制信号U′k永远被切断，直到停机断电J7m-1才再次接通并发出启动信号。
2.排它性电路当控制信号Uk开始接近其上或下门限值时，与其相邻的控制区也将被接通，因为相邻两个控制区的门限值有重叠部分。为了防止这种现象发生，每个控制区都有排它性功能。即当某个控制区接通以后与其相邻的上、下两个控制区都被切断。例如第II控制区导通后，其继电器J2m的另两个常闭触点J2m-2与J2m-3分别将两个控制区III与控制区I同时切断。其它控制区也都具有此功能。
3.电容C的双重作用(1)控制信号电压的暂存作用当控制信号电压刚刚移出窗式比较器的门限值的瞬间，该控制区支持的矩阵电路立即断开，而下一个控制区尚未建立。因此控制信号电压无法形成。为此引进一个C＝20μ的较大电容，它与R2配合组成延时装置可产生时间常数为2秒的惯性滞后过程。虽然因矩阵电路断开瞬间Vt已不存在，但Uk在t＝0+的瞬间仍然存留，它使下一个控制区得以建成。同理前述的启动信号U′k的通断也是靠R2C回路的惯性滞后来完成的。
2.滤波作用当控制信号电压Uk接近一个门限时，由于相邻两个控制区的门限有部分重叠，使Uk产生微小的高频振动，导致继电器触点因高频振动而烧毁。有了R2C回路就可将Uk中的高频分量滤掉，从而消除了这种振荡。
图4是本实用新型的液压发动机原理图。其中换向阀23由阀体22、弹簧9、滑阀10、顶杆17等四部分组成。Ps为来自油源的高压油，滑阀10被弹簧9推向下极端，这时高压油沿口12进入阀体22的中腔，并由口13和口14进入油缸的下腔15，因而将活塞16推向上方，从而带动水泵的连杆6一起向上运动，达到抽水的目的。当活塞16上移至上极端时便将顶杆17推向上方，并带动滑阀10克服弹簧力向上运动，因而进油口12被滑阀下端凸肩堵死，同时打开回油窗口18，使油缸下腔油沿回油通道19流回油箱。油缸活塞16在水泵活塞及连杆6等重力作用下开始向下运动。在滑阀10被推向上极端时也将窗口20打开，于是高压油经过节流孔11进入滑阀的下腔21，因此当油缸活塞16下降时滑阀在高压油作用下仍然停在上极端位置，这便是换向阀的记忆功能。当油缸活塞下行至下死点时活塞杆24上的环槽25与油缸体上的水平直孔27相通，于是换向阀23的下腔21便通过窗口29、通道26、水平孔27和通道28与回油相通。由于高压油通过节流孔11与换向阀23的下腔21相通，因此此时换向阀下腔21的压力几乎为零，于是阀芯10在弹簧9作用下向下移动并堵死进油窗口20和放油窗口18，同时打开了高压油窗口12，因而油缸活塞16在高压油作用下又开始上升，同时关闭通道26和28之间的通道。由于换向阀的进油口20被阀芯下凸肩堵死，阀芯并不上移，这便是换向阀的第二个记忆功能。当油缸活塞向上运动又开始了上述的重复过程。这便是液压发动机的工作原理。
这里应说明的是本实用新型的油缸采用单腔控制式，只在其向上抬起时下腔15才通入高压油，而下降时上腔30并不通入高压油，始终是空的。当油缸活塞16下降时油泵打出的高压油存入油源的蓄能器31之中，当活塞16向上运动时由蓄能器31及油泵32一起向其下腔15供油，因而活塞的运动速度提高一倍，即抽水的效率提高一倍。
图4中的油源主要由油泵32、溢流阀33、精油滤34、单向阀35、电机36和压力表37等组成。由最佳功率跟踪器与太阳能电源形成的恒流直流电源输给直流电机36使其带动油泵32产生压力可调的油泵系统以供给液压发动机工作。
图5是活塞式水泵5的结构原理图。图中水泵缸体50、固定活门54，它由活门套筒41、定位套筒53、锥阀56、密封圈55、密封垫片57、花蓝螺母38和回位弹簧39等组成。其中锥阀56的锥度为30°角，下部为一起导向作用的空心圆柱体，其长度为直径的5倍，它与定位套筒之间为滑配合。为防止砂粒进入其间，特将此空心圆柱体设成只有互成120°角的三个肋，而肋的两侧都设成倒角，实际上三个肋的外侧只有宽5mm的部分是原来圆柱体的一部分，它起到定位作用并令其与定位套筒滑配合，因此砂子不会进入两者之间。锥阀56的锥部与套筒上端面的接触乃是一条垂直于锥阀轴线的圆周线，这样既保证了密封性又使砂粒难以停住，因此很好地达到密封与防砂作用。
移动活门61与固定活门54相同，只是前者固定在水泵的活塞上。在定位套筒42的外侧多一个凸肩52，它起到活塞的作用，其上有个活塞环51，活塞环上套有一个起密封作用的皮碗59，它可以是橡胶制品也可以是聚四氟乙烯制品。皮碗上有一个压紧螺母60。这里花蓝螺母44既起到固定弹簧49的作用又是活塞与活塞杆47间的连接件，并用锁紧螺母62将其锁紧。实际上花蓝螺母44、定位套筒42、压紧螺母60、皮碗59和活塞环51等五件构成了水泵的活塞部件。其活塞杆47借助万向接头46与拉杆6相连接。在水泵缸体50与水管7之间通过一个带有锥管的连接管45相连接。在固定活门套筒41的下端有一个过滤网40。
水泵的工作原理是当拉杆上升时带动活塞上行，于是活塞下腔58形成负压，在周围大气压力作用下固定活门54中的锥阀56被井水推开，水便进入活塞下腔58并且充满全腔。当活塞下行时下腔58中的水被挤压，迫使固定活门中的锥阀56关闭，同时将活塞上的锥阀43顶开，于是随着活塞的下移将下腔58中的水全部挤进活塞上腔48。当活塞再次上行时固定活门中的锥阀又被打开，同时活塞上的锥阀关闭，如此往复便将水抽到地面上来。若将水泵浸入水面下一段距离，其效果更好。由于活塞及二个锥阀密封性极好，加之具有防砂性，实际上水泵的容积效率可达百分之百。
综上所述，本实用新型具有下列特点(1)效率高。当流量为3m3/h，扬程为22m时，水泵的效率为69.9％，总效率为54％。随着扬程的提高，流量的增加，总效率可增加到70％以上；(2)应用范围广。既适用于小流量(0.5m3/h)、低扬程(20m以下)，更适用于大流量(20m3/h以上)、高扬程(200m以上)；(3)无任何环境污染。本实用新型实际上是一种绿色工程；(4)由于以太阳能作为动力，本实用新型是21世纪联合国及世界各国大力提倡的再生能源利用工程；(5)如果发展成户用型，可以解决我国上百万人口的饮水问题。
权利要求1.一种液控太阳能光电水泵，主要包括太阳能电源、最佳功率跟踪器、液压发动机、液压油源与活塞式水泵及其相关电路和油路，其特征在于该太阳能电源由功率大小不等的65块太阳能电池分别按照六种不同的矩阵方式组成，这些矩阵设成能随着太阳光照度变化不断相互转换，以形成输出电流不变的恒流源；该最佳功率跟踪器是一种变换器和控制器，该最佳功率跟踪器由六个控制区组成，第I控制区中一个窗式比较器的负端串联两个调压电阻，中端通过一个电阻连接一个三极管，该三极管则连接一个控制继电器和一组接通太阳能电池组对应矩阵电路用的继电器；第II控制区到第VI控制区相同，每个控制区都连接有两个窗式比较器，其一正端串联电阻，另一负端串联电阻，其中端连接一个与门，该与门经由一个电阻连接一个三极管，而该三极管也连接一个控制继电器及一组接通太阳能电池组相应矩阵电路用的继电器，每个控制区中的比较器都设置有门限电压值，它由15V电源经由电阻分压而成；该液压发动机主要由一个油缸和一个液压换向阀组成，其液压换向阀的阀体中间设有一个滑阀，其右端连接一个顶杆，而左端则紧靠一个复位弹簧，还设有一个进油节流孔；该液压油源主要包含电机驱动的油泵，首先经由管路一端连通油箱，另端连接单向阀，进而分别通向蓄能器、精滤器、压力表和溢流阀形成油泵系统；该活塞式水泵中锥阀的锥度为30°角，其下面为一空心圆柱体，其长度为直径的5倍，它与定位套筒滑配合，该空心圆柱体设成只留互成120°角的三根肋，每个肋的圆柱面只留5mm的宽度，两边多余部分设成倒角，锥阀与定位套筒上端面接触部分为一条圆周线。
2.按权利要求1中所述的液控太阳能光电水泵，其特征在于太阳能电池组被分成基本单元和小于基本单元的非基本单元，由它们分别组成不同的矩阵。
3.按权利要求1中所述的液控太阳能光电水泵，其特征在于最佳功率跟踪器的六个控制区中都有排它性电路，它分别将每个区中的控制继电器的两个常闭触点分别串联在前后两个控制区中的控制电路中。
4.按权利要求1中所述的液控太阳能光电水泵，其特征在于最佳功率跟踪器中有一个启动信号电路，它由15V电源连接分压电阻和带有自锁功能的通断继电器组成的电路。
5.按权利要求1中所述的液控太阳能光电电泵，其特征在于最佳功率跟踪器中有一个延时装置，它由电路中连接的一个较大电容及一个分压电阻组成。
6.按权利要求1中所述的液控太阳能光电水泵，其特征在于最佳功率跟踪器中设置一个控制信号电压，它由太阳能电池组的总输出电压经由电路中两个串联的分压电阻形成，此分压后的电压即为控制信号电压。
7.按权利要求1中所述的液控太阳能光电水泵，其特征在于液压发动机中的油缸是单向驱动式，仅下腔进油或回油，上腔为空腔通大气，该油缸与油源中的蓄能器、油泵组成一种节能装置。
专利摘要本实用新型液控太阳能光电水泵由太阳能电源,最佳功率跟踪器、液压发动机、油源和活塞式水泵组成。该太阳能电源由功率不等的65块太阳能电池按照六种矩阵方式组成,并设成能随阳光照度变化不断相互转换以形成恒流源。最佳功率跟踪器由六个控制区组成,设有启动信号电路、延时装置和控制信号电压;液压发动机主要包含油缸和液压换向阀;活塞式水泵的锥阀下面空心圆柱体设成只留互成120°三根肋,使锥阀接触为一圆周线。该水泵特点是效率高和应用范围广。
文档编号F03G6/00GK2403911SQ99255180
公开日2000年11月1日 申请日期1999年11月30日 优先权日1999年11月30日
发明者刘长年 申请人:刘长年