FR2633014A1

FR2633014A1 - Liquid pumping device actuated by solar energy

Info

Publication number: FR2633014A1
Application number: FR8808014A
Authority: FR
Inventors: Claude Bienvenu
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1988-06-15
Filing date: 1988-06-15
Publication date: 1989-12-22
Anticipated expiration: 2008-06-15
Also published as: FR2633014B1

Abstract

The device, which can be used in particular for pumping water, comprises a pump driven by an electric motor 14 and a unit of photocells 10 supplying the energy necessary for the operation of the motor. The motor 14 is an ac motor. The block of photocells 10 is provided with a bank of capacitors 12 for storing energy, which bank is connected to the motor by means 16 for discharging the capacitors into the motor when the energy stored in the capacitors reaches a given level.

Description

DisPositif de pompasse de liquide actionné Dar l'énerqie solaire.Liquid pump device powered by solar power.

L'invention a pour objetun dispositif de pompage du type comprenant une pompe entrainée,par un moteur électrique et un bloc de photo-piles fournissant l'éner- gie nécessaire au fonctionnement du moteur. Elle trouve une application particulièrement importante dans les dispositifs de pompage de l'eau, notamment pour l'irri- gation dans des zones où l'énergie électrique n'est pas disponible ou est d'un coût élevé. The subject of the invention is a pumping device of the type comprising a pump driven by an electric motor and a block of photocells providing the energy necessary for the operation of the motor. It finds a particularly important application in water pumping devices, in particular for irrigation in areas where electrical energy is not available or is of high cost.

On connaît déjà des dispositifs de pompage du type ci-dessus défini, utilisant en général une pompe rotative. Ils se heurtent au problème de l'irrégularité de la fourniture d'énergie électrique par le bloc de photo-piles. Même dans le cas où le bloc est orientable de façon à suivre la course du soleil, l'énergie fournie par les photo-piles varie au cours de la journée. Et dans la plupart des régions les modifications de la couverture nuageuse constituent une source supplémentaire de variation.Or les moteur-s électriques classiques s'adaptent mal aux variations de puissance et on a été amené en conséquence à munir les dispositifs de~régula- teurs électriques ou de moyens de stockage temporaire, tels que des batteries d'accumulateurs, qui compliquent l'installation, accroissent le coût d'investissement et n'apportent malgré tout qu'une solution très partielle au problème. Pumping devices of the type defined above are already known, generally using a rotary pump. They run up against the problem of the irregularity of the supply of electrical energy by the block of photo-batteries. Even in the case where the block is orientable so as to follow the course of the sun, the energy supplied by the photo-batteries varies during the day. And in most regions, the modifications of the cloud cover constitute an additional source of variation. However, conventional electric motors do not adapt well to variations in power and we have therefore had to equip the devices with regulators. electrical or temporary storage means, such as storage batteries, which complicate the installation, increase the investment cost and nevertheless provide only a very partial solution to the problem.

L'invention vise à fournir un dispositif de constitution très simple, s'adaptant automatiquement à la puissance fournie par le bloc de-photo-piles. Elle propose dans ce but un dispositif de pompage du type ci-dessus défini caractérisé en ce que le moteur de ia pompe est à fonctionnement alternatif et à course motrice unidirectionnelle et en ce que le bloc est muni d'un banc de condensateurs de stockage d'énergie relié au moteur par des moyens de décharge des condensateurs dans le moteur lorsque l'énergie stockée dans les condensateurs atteint un niveau déterminé. The invention aims to provide a very simple constitution device, automatically adapting to the power supplied by the photo-battery pack. To this end, it proposes a pumping device of the type defined above, characterized in that the motor of the pump is of alternating operation and with unidirectional driving stroke and in that the block is provided with a bank of storage capacitors d energy connected to the motor by means of discharging the capacitors in the motor when the energy stored in the capacitors reaches a determined level.

Un tel dispositif s'adapte parfaitement à des variations très importantes de la puissance disponible qui se traduisent simplement par une variation de la cadence de mise en action du moteur et donc par une modification de la quantité de liquide transférée par unité de temps. Le dispositif s'adapte à une très large plage d'utilisation, l'énergie fournie au moteur à chaque décharge pouvant être utilisée soit pour refouler une faible quantité d'eau sous forte pression, soit au contraire pour refouler une quantité plus importante d'eau avec une dénivelée plus faible. La pompe sera généralement à fonctionnement alternatif, son organe mobile étant directement fixé à l'organe mobile du moteur pour constituer un équipage monobloc.Cependant, il est possible d'utiliser une pompe rotative unidirectionnelle couplée à l'organe mobile du moteur par un mécanisme à cliquets cette solution, qui complique l'installation1 n'est généralement pas avantageuse
La capacité du banc de condensateurs doit être choisie de façon que les constantes de temps électrique et mécanique du dispositif soient comparables. De façon plus précise, la durée de décharge du banc de condensateurs dans le moteur doit être au moins égale au temps nécessaire à la course de refoulement de la pompe. Dans le cas contraire en effet, le circuit électrique pourrait osciller à une fréquence située au delà de la bande passante de l'ensemble moteur-pompe et cette dernière ne pourrait fonctionner.Such a device adapts perfectly to very large variations in the available power which simply result in a variation in the rate of actuation of the motor and therefore in a modification of the quantity of liquid transferred per unit of time. The device adapts to a very wide range of use, the energy supplied to the motor at each discharge can be used either to pump a small quantity of water under high pressure, or on the contrary to pump a larger quantity of water with a lower elevation. The pump will generally be operated alternately, its movable member being directly attached to the movable member of the engine to form a one-piece assembly. However, it is possible to use a unidirectional rotary pump coupled to the movable member of the engine by a mechanism. this solution, which complicates installation1 is generally not advantageous
The capacitance of the capacitor bank must be chosen so that the electrical and mechanical time constants of the device are comparable. More precisely, the duration of discharge of the capacitor bank in the motor must be at least equal to the time necessary for the discharge stroke of the pump. Otherwise, in fact, the electrical circuit could oscillate at a frequency located beyond the bandwidth of the motor-pump assembly and the latter could not operate.

Les moyens destinés à provoquer la décharge du banc de condensateurs sur le moteur peuvent avoir diverses constitutions. Ils peuvent être très simples et ne faire appel qu'à des composants statiques classiques, tels que les redresseurs commandés à état solide dits "thyristors. La gachette peut alors être polarisée par un circuit comportant -un élément à seuil, tel qu'une diode zener, relié au banc. The means intended to cause the discharge of the capacitor bank on the motor can have various constitutions. They can be very simple and use only conventional static components, such as rectifiers controlled in solid state called "thyristors. The trigger can then be polarized by a circuit comprising - a threshold element, such as a diode zener, connected to the bench.

Cette solution a cependant l'inconvénient de conduire à un rendement faible pour plusieurs raisons. This solution however has the drawback of leading to a low yield for several reasons.

D'une part les photo-piles n'ont un bon rendement que dans une plage relativement étroite de tension aux bornes et la puissance qu'il est possible d'extraire d'un banc de photo-piles diminue considérablement si ces photo-piles fonctionnent sous tension variable jusqu'à une valeur presque nulle. D'autrè part le courant consommé dans le moteur n'a plus d'effet dès que la force exercée ne peut plus vaincre la contrepression.On the one hand the photo-batteries only have a good yield in a relatively narrow range of voltage at the terminals and the power which it is possible to extract from a bank of photo-batteries decreases considerably if these photo-batteries operate under variable voltage up to an almost zero value. On the other hand, the current consumed in the motor has no effect as soon as the force exerted can no longer overcome the back pressure.

D'autres constitutions des moyens de décharge permettent d'écarter ou du moins d'atténuer notablement cet inconvénient. En particulièr, les moyens de décharge peuvent comporter un interrupteur à état solide, tel qu'un transistor, associé à un dispositif de commande qui ferme le circuit d'alimentation du moteur pour une tension déterminée aux bornes du banc de condensateurs et ouvre le circuit dès que la-tension décroît jùsqu'à une valeur plus basse et prédéterminée. Other constitutions of the discharge means make it possible to avoid or at least to attenuate considerably this drawback. In particular, the discharge means can comprise a solid state switch, such as a transistor, associated with a control device which closes the motor supply circuit for a determined voltage across the terminals of the capacitor bank and opens the circuit. as soon as the voltage decreases to a lower and predetermined value.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 montre schématiquement une pompe et son moteur électrique d'entrainement, en coupe suivant un plan parallèle à la direction de déplacement, et le circuit électrique associé
- la figure 2 est un diagramme montrant la puissance P qui peut être extraite d'un banc de photo piles en fonction de la tension de travail V pour diverses valeurs de l'éclairement Çr exprimées en mW/cm2
- la figure 3, similaire à une fraction de la figure 1, montre une variante de réalisation.The invention will be better understood on reading the following description of particular embodiments, given by way of nonlimiting examples. The description refers to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 schematically shows a pump and its electric drive motor, in section along a plane parallel to the direction of movement, and the associated electrical circuit
- Figure 2 is a diagram showing the power P which can be extracted from a battery photo bank as a function of the working voltage V for various values of the illumination Çr expressed in mW / cm2
- Figure 3, similar to a fraction of Figure 1, shows an alternative embodiment.

Le dispositif montré sur la figure 1 comporte un bloc de photo-piles 10 qui peut être monté sur un pan neau fixe, placé au sol ou sur un support dans une orientation convenable ou sur un panneau orientable. Le bloc 10 est relié à un banc de condensateurs 12 destiné à stocker l'énergie fournie et à constituer tampon. Le banc de condensateurs 12 est relié au moteur électrique 14 d'un groupe moto-pompe alternatif par l'intermédiaire de moyens de commande 16 dont la constitution peut être celle décrite plus loin. Il suffit de relever pour le moment que ce circuit est prévu pour isoler le banc de condensateurs 12 du moteur 14 jusqu'à ce que la tension aux bornes des condensateurs atteigne une valeur prédéterminée, pour laquelle l'énergie stockée est suffisante pour provoquer une course active complète ou presque complète du moteur 14 et de la pompe. The device shown in FIG. 1 comprises a photocell block 10 which can be mounted on a fixed panel, placed on the ground or on a support in a suitable orientation or on an orientable panel. The block 10 is connected to a bank of capacitors 12 intended to store the energy supplied and to constitute a buffer. The capacitor bank 12 is connected to the electric motor 14 of an alternative motor-pump group by means of control means 16, the constitution of which may be that described below. It suffices to note for the moment that this circuit is designed to isolate the capacitor bank 12 from the motor 14 until the voltage across the capacitors reaches a predetermined value, for which the stored energy is sufficient to cause a stroke. active complete or almost complete motor 14 and pump.

Le moteur 14 de la moto-pompe comporte une carcasse 18 portant une bobine 20 et, dans le mode de réalisation illustré, munie d'une tige centrale 22 de guidage. Sur cette tige est monté un noyau plongeur tubulaire 24 en matériau magnétique, déplaçable entre une position de repos vers laquelle il est sollicité par un ressort de rappel 26, éventuellement fixé par une butée 27, et une position vers laquelle il est attiré par la bobine 20, lorsque cette dernière est excitée. Le noyau plongeur 24 constitue un équipage mobile avec un piston 28 de pompe, en matériau non magnétique. Ce piston 28 fait saillie dans une chambre de pompage 30 dont il diminue le volume lorsqu'il est déplacé par l'excitation de la bobine 20. Dans le mode de réalisation illustré, l'étanchéité de la chambre est assurée par un soufflet 32 reliant le piston au boîtier de la pompe. Ce soufflet pourrait être remplacé par un joint glissant. La chambre est munie d'un clapet d'aspiration 33 et d'un claplet de refoulement 34. The motor 14 of the motor-driven pump comprises a carcass 18 carrying a coil 20 and, in the illustrated embodiment, provided with a central guide rod 22. On this rod is mounted a tubular plunger core 24 made of magnetic material, movable between a rest position towards which it is urged by a return spring 26, possibly fixed by a stop 27, and a position towards which it is attracted by the coil 20, when the latter is excited. The plunger core 24 constitutes a movable assembly with a pump piston 28, made of non-magnetic material. This piston 28 projects into a pumping chamber 30 whose volume it decreases when it is moved by the excitation of the coil 20. In the illustrated embodiment, the sealing of the chamber is ensured by a bellows 32 connecting the piston to the pump housing. This bellows could be replaced by a sliding joint. The chamber is provided with a suction valve 33 and a discharge valve 34.

Les moyens de décharge 16 peuvent être entièSe- ment statiques. Il comprennent, dans le cas représenté sur la figure, un redresseur commandé à semi-conducteur 36 placé entre le banc de condensateurs 12 et la bobine 20. Le circuit de gachette de ce redreseur commandé 36 comporte une diode zener 38 reliée à la masse par une résistance 40 et à la tension de sortie du banc de condensateurs 12 par une résistance 42. The discharge means 16 can be entirely static. They include, in the case shown in the figure, a controlled semiconductor rectifier 36 placed between the bank of capacitors 12 and the coil 20. The trigger circuit of this controlled rectifier 36 comprises a zener diode 38 connected to ground by a resistor 40 and at the output voltage of the capacitor bank 12 by a resistor 42.

Le fonctionnement du dispositif est le suivant au repos, l'équipage mobile est maintenu par le ressort 26 dans la position où il est montré sur la figure. The operation of the device is as follows at rest, the movable assembly is held by the spring 26 in the position where it is shown in the figure.

Aussi longtemps que la tension aux bornes du banc de condensateurs 12 n'atteint pas le seuil d'amorçage de la diode zener 38, cette situation subsiste. Lorsque la diode zener 38 s'amorce, elle rend conducteur le redresseur commandé 36 et le banc de condensateurs 12 se décharge dans la bobine 20. Cette dernière attire le noyau plongeur 24 en provoquant le refoulement de liquide contenu dans la chambre 30 à travers l-e clapet 34. Les résistances 40 et 42 sont choisies de façon.que la tension de commande appliquée par la diode zener retombe à une valeur proche de zéro immédiatement après amor çage. Le redresseur commandé 36 n'en reste pas moins conducteur jusqu'au moment où le courant qui le travers devient très faible.Le fait que la charge 20 soit très fortement inductive peut d'ailleurs conduire à une oscillation provoquant une inversion de tension qui favorise ou provoque la coupure, après laquelle lebanc de condensateurs 12 recommence à se charger. Dès qu'aucun courant ne traverse plus la bobine 20, le ressort 26 refoule l'équipage mobile et le retrait du piston entraine le remplissage de la chambre à travers le clapet 33.As long as the voltage across the capacitor bank 12 does not reach the ignition threshold of the zener diode 38, this situation remains. When the zener diode 38 starts, it makes the controlled rectifier 36 conductive and the bank of capacitors 12 discharges into the coil 20. The latter attracts the plunger core 24 by causing the liquid contained in the chamber 30 to be discharged through the valve 34. The resistors 40 and 42 are chosen so that the control voltage applied by the zener diode drops to a value close to zero immediately after ignition. The controlled rectifier 36 nevertheless remains conductive until the current flowing through it becomes very weak. The fact that the load 20 is very highly inductive can moreover lead to an oscillation causing a voltage reversal which favors or causes the cut-off, after which the capacitor bank 12 begins to charge again. As soon as no current passes through the coil 20 any more, the spring 26 pushes back the mobile assembly and the withdrawal of the piston causes the chamber to be filled through the valve 33.

Comme cela a été indiqué plus haut la puissance disponible aux bornes d'un générateur photovoltaique varie, à niveau d'éclairement donné , très fortement en fonction de la tension aux bornes des photo-piles. La figure 2 montre, pour deux niveaux d'éclairement, la variation de la puissance P qu'il est possible d'extraire en fonction de la tension de travail V. On constate que le dispositif montré en figure 1 fonctionne dans des conditions qui sont très loin de l'optimum puisque le cycle de travail peut être représenté par un allerretour-, sur l'une des courbes caractéristiques, à partir de l'origine. Moyennant une complication qui reste modérée du dispositif, il est possible de se rapprocher davantage d'un fonctionnement optimum, en maintenant le régime de travail des photo-piles dans la zone limitée par des tensions V1 et V2 encadrant le maximum des courbes. As indicated above, the power available at the terminals of a photovoltaic generator varies, at a given level of illumination, very strongly as a function of the voltage at the terminals of the photo-batteries. FIG. 2 shows, for two levels of illumination, the variation of the power P which it is possible to extract as a function of the working voltage V. It can be seen that the device shown in FIG. 1 operates under conditions which are very far from the optimum since the work cycle can be represented by a return trip, on one of the characteristic curves, from the origin. With a complication that remains moderate of the device, it is possible to get closer to optimum operation, by maintaining the working regime of the photo-batteries in the zone limited by voltages V1 and V2 framing the maximum of the curves.

Pour arriver à ce résultat, on peut notamment utiliser un dispositif du genre schématisé en figure 3. To achieve this result, it is possible in particular to use a device of the kind shown diagrammatically in FIG. 3.

Sur cette figure, le bloc de photo-piles 10 est schématisé sous forme d'un générateur de courant en parallèle avec un redresseur et en série avec une résistance de faible valeur. Les moyens 16 de décharge comprennent un interrupteur contitué par un transistor 44 commandé par un circuit de régulation 46 dont la fermeture permet l'alimentation de la bobine 20 du moteur par le banc de condensateurs 12. Une diode de roue libre 48 en parallèle avec la bobine 20 permet à celle-ci de se décharger après coupure.In this figure, the photocell block 10 is shown diagrammatically in the form of a current generator in parallel with a rectifier and in series with a resistance of low value. The discharge means 16 comprise a switch formed by a transistor 44 controlled by a regulation circuit 46, the closing of which enables the coil 20 of the motor to be supplied by the bank of capacitors 12. A freewheeling diode 48 in parallel with the coil 20 allows it to discharge after cutting.

Le circuit 46 est prévu de façon à rendre le transistor 16 conducteur lorsque la tension Vc aux bornes du banc de condensateurs 12 atteint la valeur V2 (figure 2) et pour bloquer le transistor lorsque cette tension redescent au dessous de la valeur V1. Dans ces conditions, le fonctionnement s'effectue en deux phases
- charge du banc de condensateurs 12 par les photo-piles 10 et en même temps admission de fluide dans la pompe dont le piston 28 recule sous l'action du ressort 26, le point représentatif du fonctionnement se déplaçant vers la droite sur l'une des courbes de la figure 2, vers la tension V2
- déblocage du transistor 16, décharge du banc de condensateurs 12 et course de refoulement de la pompe jusqu'à ce que la tension Vc soit redescendue à la valeur Vt, la courbe de la figure 2 étant alors parcourue vers la gauche,de V2 vers V1. The circuit 46 is provided so as to make the transistor 16 conductive when the voltage Vc across the terminals of the capacitor bank 12 reaches the value V2 (FIG. 2) and to block the transistor when this voltage drops back below the value V1. Under these conditions, operation takes place in two phases
- charging of the capacitor bank 12 by the photo-batteries 10 and at the same time admission of fluid into the pump, the piston 28 of which moves back under the action of the spring 26, the point representing the operation moving to the right on one curves of Figure 2, towards the voltage V2
- enable transistor 16, discharge the capacitor bank 12 and pump discharge stroke until the voltage Vc has dropped to the value Vt, the curve in FIG. 2 then being traversed to the left, from V2 to V1.

L'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Le ressort 26 peut être supprimé lorsque la moto-pompe est placée de façon que les forces de gravité tendent à ramener l'équipage mobile en position de repos. La course de travail de cet équipage peut également créer à l'arrière une dépression qui tend à le ramener dans cette meme position de repos. Lå pompe peut être à double effet, si le ressort de rappel 26 est capable d'emmagasiner une énergie suffisante pour entrai- ner l'équipage mobile dans une course de refoulement. The invention is susceptible of numerous variant embodiments. The spring 26 can be omitted when the motor-pump is placed so that the forces of gravity tend to bring the moving element back to the rest position. The working stroke of this crew can also create a depression at the rear which tends to bring it back to this same position of rest. The pump can be double-acting, if the return spring 26 is capable of storing sufficient energy to drive the moving element in a delivery stroke.

Par choix approprié de la section du piston 28, on peut, pour une force d'attraction donnée de la bobine 20, modifier la pression de refoulement qu'il est possible d'atteindre. Le piston peut être télescopique de façon que sa surface d'action diminue au delà d'une course donnée, afin de compenser la diminution de la force exercée par le moteur, due à la diminution du courant lors de la décharge. By appropriate choice of the section of the piston 28, it is possible, for a given attraction force of the coil 20, to modify the discharge pressure which it is possible to achieve. The piston can be telescopic so that its working surface decreases beyond a given stroke, in order to compensate for the reduction in the force exerted by the motor, due to the reduction in current during discharge.

Claims

1. Pumping device comprising a pump driven by an electric motor (14) and a photocell block (10), characterized in that the motor (14) is alternately operated and has a unidirectional driving stroke and in that the block (10) is provided with an energy storage capacitor bank (12), connected to the motor (14) by means (16) of discharging the capacitors in the motor when the energy stored in the capacitors reaches a determined level.

2. Device according to claim 1, characterized in that the discharge means (16) comprise a solid state controlled rectifier (36) whose trigger is biased by a circuit comprising a threshold element (38), such as a zener diode, connected to the bench.

3. Device according to claim 1, characterized in that the discharge means (16) comprise a transistor (44) controlled by a circuit which makes the transistor conductive when the voltage across the terminals of the bank of capacitors exceeds a value V2 and blocks the transistor when the voltage across the capacitor bank drops below another determined value V1, a freewheeling diode 48 being placed across the motor.

4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the motor comprises a plunger core (24) movable between a rest position towards which it is urged to rest (26) and a position towards which it is attracted by a coil (20) when the latter is supplied.

5. Device according to claim 4, characterized in that the core is biased by a spring (26) towards its rest position.

6. Device according to claim 5, characterized in that the pump is double-acting.