CN107614870A - 从水井中取水的系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种从井中高效取水的系统。所述系统包括：可操作以收集可再生能源并将其转换为电能的收集器；容积泵，包括被所述电能激励的伺服马达，容积泵适于浸没于井中并从井中取水；出口装置，适于传输从井中取得的水；电子控制器，被设置成将从所述可再生能源取得的能量与所述容积泵所消耗的功率相匹配；以及出口装置，适于传输从井中取得的水。可选地，所述系统还包括水存储装置，用于保存从该井中取得的水。

Description

从水井中取水的系统

技术领域

本公开总体上涉及为装置供能的间歇能量源的使用，特别地涉及离网的太阳能驱动装置、例如泵的使用。

背景技术

用于植物灌溉、牲畜和其他应用的遥远井的水生产长期以来在如下方面是存在问题的：太阳能泵送系统针对深井的低产率、风车水生产的故障率以及维护成本和通达不便。产业中很多人求助于使用地点发电机，这需要反复前往遥远井的位置，以提供燃料和启动发电机以泵送所需要的水以满足水消耗的需要。太阳能被发现是该挑战的有效答案，但相比于交流电能所支持的标准深井泵的流率，使用太阳能水泵送系统时深水井的流率通常非常低。太阳能生产取决于对阳光的暴露。在长期少量或无阳光的情况下，水生产能力将会降低或可能会停止。将从太阳能源获得的能量用于深井水泵的典型系统包括泵、马达、马达驱动器、控制器、传动装置和太阳能板阵列，可选地包括电网连接装置（例如，用于备用的目的）。

多数可用的系统使用离心式泵，其中一组或多组叶轮以某个转速旋转（通常在每分钟2000-3000转的范围内）以便高效地泵送水。然而， 离心泵的最佳效率曲线还被多个因素所限制，例如井深、叶轮直径和叶轮桨距（这继而需要针对每个深度范围使用不同数量的叶轮）以及针对每个直径和流率的特定叶轮设计。因此，离心泵效率被认为处于50-65%的范围内。

与这些系统相关联的另一难题在于如下事实，“离网”太阳能系统遭受可取得的太阳能水平的变化，所述变化由于一天中的时间以及一年中的日期变化（即，相对太阳角的变化）以及由于其他因素引起，所述其他因素例如是阴天、灰尘等。此外，由于离心泵在窄转速范围内（例如，以泵送水）保持它们的最大效率，该约束在低辐射周期时引起问题，此时只能泵送非常少量的水或者甚至根本没有水。这继而导致15-25%的典型效率损失。

为了使离心系统能够在上文描述的多种约束下工作，一种常用的解决方案是制造和储存多个泵尺寸以使得能够提供能够在具体的预定工作条件下工作的高效的系统。然而，取决于实际工作条件离所设计的工作条件相距多远，任何预定的离心泵设置牺牲在变化的工作条件下的工作效率。

风车水生产也是针对遥远水井位置的水生产问题的常用解决方案。通常，风车在生产水时非常浪费。除非被操作者关闭，否则只要存在风，风车就泵送水。一旦储存容器被充满，多余的水通常溢出到地面，因而浪费水和风车的工作效能。风车还趋于昂贵和维护困难，通常涉及对实施维护的技术员来说危险和冒险的条件。

使用柴油发电机可以整体上提供非常昂贵的水生产手段。发电机通常需要操作者携燃料容器前往现场，为发电机加燃料，接着连同井中的深井泵一起启动发电机。显然，操作者不会等待发电机消耗燃料所需要的数小时，而会在明知当发电机消耗所有燃料后它将停止运转的情况下离开现场。以这种方式允许发电机在电气负载下用尽燃料对于发电机和深井泵二者来说都是极度冒险的，因为这通常会缩短这些设备中的每个的工作寿命。此操作进一步可导致发电机或井泵中任一个的昂贵维修或早期更换。

发明内容

本公开的目的是提供用于从井中取水（例如用于灌溉、牲畜）的改进的系统，所述系统使用可再生能源（例如太阳能）作为能量的唯一来源。

本发明的另一个目的是提供用于从井中取水的泵送系统，其适于在具有相对小的直径（例如约150毫米直径）的深井（例如在50至200米深的范围内）中使用以便匹配窄井。

本发明的另一个目的是提供需要很少维护的深井泵送系统。

本发明的另一个目的是提供从井中取水的泵送系统，其包括改进所述系统的能量效率的临时能量存储装置。

本发明的其他目的将会随着对本发明描述的进行而变得显而易见。

根据本公开的第一个实施例，提供了用于从水井取水的系统，包括：

收集器，所述收集器可操作以收集可再生能源（例如太阳能、风能等等）并将其转换为电能；

包括被所述电能激励的伺服马达的容积泵，所述容积泵适于浸没在井中并从井中取水；

电子控制器，适于优选地在多种工作条件下保持尽可能最高的效率时将从所述可再生能源取得的电能与容积泵所消耗的能量相匹配；

出口装置，适于输送从井中取得的水。

与依赖使用离心泵的用于从井中泵送水的现有技术系统中通常使用的泵不同，本发明的发明人出乎意料地能够通过使用本文中描述的容积泵达到显著更好的性能。

根据另一个实施例，系统进一步包括用于保存从所述井中取得的水的水存储装置。

根据另一个实施例，所述伺服马达为旋转马达。

根据另一个实施例，所述泵包括直接联接到滚珠丝杠螺母凸缘的旋转伺服马达。

根据另一个实施例，所述泵为可拆卸地连接到所述滚珠丝杠螺母凸缘的双杆泵。

根据另一个实施例，所述收集器为具有至少一个太阳能收集单元的太阳能收集器，所述太阳能收集单元被导向以拦截太阳辐射并将因此捕获到的太阳能转换为电能。

根据另一个实施例，所述容积泵为双作用活塞泵。

根据另一个实施例，所述容积泵为单作用活塞泵。

根据另一个实施例，单作用容积活塞泵还包括电存储装置，其适于储存当在与泵在再灌水（例如在下行方向中）时完成一次运动所需要的时间段大体相等的时间段期间操作泵时供使用的电能盈余。

根据另一个实施例，所储存的电能当泵移动同时泵送水（例如在上行方向）时被消耗。

根据另一个实施例，电存储装置为电容（例如在65伏特下约0.5法拉）。

附图说明

为更全面地理解本发明，现在参照连同附图作出的下述详细说明，在附图中：

图1示出供根据本发明的一个实施例使用的泵的示例，该泵包括直接联接到滚珠丝杠的旋转伺服无框马达；

图2示出泵的示例，该泵为双杆泵，并且可拆卸地连接到滚珠丝杠螺母凸缘；

图3示出供根据本发明的一个实施例使用的管状直线马达示例的三维视图的示例；

图4示出直接联接到单作用缸泵的管状直线马达；以及

图5示出直接联接到往复式缸泵的管状直线马达。

具体实施方式

在下文的描述中，为说明的目的，为了提供对本发明更好的理解，通过示例的方式陈述了大量具体细节。然而，应当显而易见的是，本发明可在没有这些具体细节的前提下实施。

为了增加根据本发明使用的泵的总效率和效率范围，选择容积活塞泵（优选地但不必要地，双作用泵）。这种类型的泵通常包括缸体和在缸体内前后移动的活塞/柱塞。所述泵装备有两个止回阀，所述止回阀在同步的循环中打开和关闭从而允许泵送作用。这样的容积活塞泵通常的效率为90%-95%。

在单作用往复式活塞泵的情形中，仅在冲程方向之一中泵送水。使用单作用往复式活塞简化了泵的结构并减小了其水通道的动态液压损失。它比在双作用往复式泵中需要更长或更快的冲程。

与单作用往复式活塞泵不同，双作用往复式活塞泵在上行冲程和下行冲程期间均泵送水。优势是更短的泵设计和更稳定的水流。

存在可被用于驱动水泵的多种机电马达传动组合。驱动（马达）类型可包括：风车、水磨、交流/直流电旋转马达脚和手动曲柄。这样的马达的传动类型可包括多种类型的齿轮传动、链传动、带传动和它们的任意组合。

图1例示了根据本公开的一个实施例的组件5，所述组件包括与双作用往复式缸泵10相关联的无框旋转马达。该无框马达包括磁体（转子）组件20、线圈（定子）组件30、霍尔组件40和电力线缆50。马达通常不具有轴或轴承，因此旋转伺服马达直接联接到滚珠丝杠60，从而通过机械传动来操作泵的活塞70。

图2示出泵的双杆布置100，所述泵可拆卸地连接到滚珠丝杠螺母凸缘，并且具有双杆110和滚珠丝杠螺母120。该布置具有减小所使用的泵的总长度的优势。

根据本公开的另一个实施例，泵包括直线马达。如图3所例示的直线马达是直流伺服马达，该马达包括由北和南强磁力永磁体320、310制成的强磁力永磁体棒或条，所述强磁力永磁体被主定子330围绕，所述主定子包括在所述棒或条附近或围绕所述棒或条的一组线圈340，从而在所述线圈和所述棒或条之间留有小的气隙350。通过使流经所述线圈的电流换向来产生电磁场，这继而迫使所述棒或条在沿所述马达的中心轴线的一个方向或另一方向运动。图3示出直线（管状）马达的三维视图的示例。

根据本公开的另一个实施例，直线马达直接连接到活塞泵杆，其之间没有任何传动。此实施例的主要优势之一在于其完全消除对传动的需求，从而消除约20%-30%的传动损失。

图4和图5例示这样的可能的布置，其中图4示出直接联接到双作用缸泵的管状直线马达，而图5示出直接联接到往复式缸泵的管状直线马达。此图5示出的布置包括入口止回阀510、出口止回阀520、液体上部腔室530、液体活塞540、磁体棒550、线圈560、液体下部腔室570和活塞580。

使用单作用活塞泵要求的是：在泵送（上行）冲程期间，系统将使用一定电流；而在泵再灌（下行）冲程期间，该系统将使用显著更小的电流，该电流约为泵送作用所需电流的四分之一。通常，由于价格和维护的限制，太阳能板泵送系统不包括（电池）存储装置。因此，使用没有存储装置（例如电池）的单作用缸泵将导致约30-40%的能量损失。

根据本公开的另一个实施例，该系统还包括电容器（例如在65伏特下约0.5法拉的相对大的电容器），该电容器用于在泵的再灌冲程期间循环地临时地储存能量，并在相应循环的泵送冲程期间使用所存储的能量。以这种方式使用所述电容将节省约30%-40%的、否则将被损失掉的能量。另外，通过使用从将太阳能转换为电流而得到的电流以及从电容器获取的电流（在先前的下行（再灌）冲程中没有被消耗掉的电流被储存在该电容器中），该方法还在不增加太阳能板的前提下增加泵送冲程的可用电流。本领域技术人员将理解到，上文中例示的参数，例如与尺寸、电压、电容的循环频率等有关的参数，仅作为示例被提供，在实施本发明时可使用这些参数的任何其他适合的值，且都不超出本发明的范围。

本发明提供的系统包括控制器，所述控制器适于将从可再生能源取得的电能与由容积泵消耗的功率相匹配，并且同时保持尽可能最高的效率，这根据本发明的一个实施例通过使用伺服控制环（最大功率环）实施。该系统可进一步包括被设置成提供反馈的处理器，所述反馈被用于通过感测在助推器和马达驱动器之间的压降来跟踪瞬时最大功率点跟踪（MPPT）。该环基于太阳能板的特征而定，以使得当该系统所汲取的功率高于瞬时可用功率时电压显著降低。使用本发明所提供的解决方案的优势之一是有能力将助推器和驱动器二者作为单个整体功率环的部分来监视和控制，而不是单独地控制助推器和驱动器。

在下面的表格-表1中，提供了在表征不同类型的系统的一些参数之间的比较，所述系统可被用于将太阳辐射用作泵送水的能量源。

表1：典型泵送系统参数

。

在本公开中，术语“包括”意图具有开放式的含义，从而当第一元件被声明为包括第二元件，所述第一元件可还包括一个或多个在本文中未必要地确定或描述、或在权利要求中列举的其他元件。

本发明使用对其实施例的详细的说明而进行描述，所述实施例通过示例方式提供并且不意图以任何方式限制本发明的范围。所描述的实施例包括不同的特征，不是本发明的所有实施例中都需要所有所述特征。本发明的一些实施例仅使用所述特征中的一些或所述特征的可能的组合。本领域人员会想到所描述的本发明的实施例的变形，以及本发明的包括在所描述的实施例中指出的特征的不同组合的实施例。本发明的范围仅由下文的权利要求所限制。

Claims (10)

1.一种用于从水井取水的系统，包括：

收集器，所述收集器能够操作以收集可再生能源并将其转换为电能；

容积泵，所述容积泵包括被所述电能激励的伺服马达，所述容积泵适于被浸没于井中并从井中取水；

电子控制器，所述电子控制器适于将从所述可再生能源取得的电能与由所述容积泵消耗的功率相匹配；以及

出口装置，所述出口装置适于输送从所述井中取得的水。

2.如权利要求1所述的系统，进一步包括用于保存从所述井中取得的水的水存储装置。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述伺服马达为直接联接到滚珠丝杠螺母凸缘的旋转伺服马达。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述泵为可拆卸地连接到所述滚珠丝杠螺母凸缘的双杆泵。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述收集器为具有至少一个太阳能收集单元的太阳能收集器，所述收集单元被导向以拦截太阳辐射并将由此捕获的太阳能转换为电能。

6.如权利要求1所述的系统，所述泵为容积活塞泵。

7.如权利要求6所述的系统，还包括电存储装置，所述电存储装置适于储存当在与泵在再灌水时完成一次运动所需要的时间段大体相等的时间段期间操作泵时供使用的电能盈余。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述电存储装置为电容器。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述系统进一步包括处理器，所述处理器被设置成通过感测所述容积泵的所述助推器和所述马达驱动器之间的压降来提供跟踪瞬时最大功率点跟踪（MPPT）的反馈。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述系统能够操作以将所述容积泵的所述助推器和所述驱动器二者作为单个整体功率环的部分来监视和控制。