基于水流發(fā)電的自充電式電動閥門設計

陳顯祥

（貴州商學院計算機與信息工程，貴州貴陽550000）

近幾年，國家加大了對農(nóng)業(yè)灌溉設施的投入力度，在發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉中遇到了許多問題：一是投入嚴重不足，由于種植農(nóng)田效益較低，農(nóng)民根本沒有多余的資金投入到節(jié)水灌溉設備中。二是節(jié)水灌溉技術(shù)基礎(chǔ)研究落后，大數(shù)據(jù)、集約化等高新技術(shù)應用較少，其配套設備選擇余地少且維護起來較為復雜，從而限制了閥門系統(tǒng)在灌溉領(lǐng)域中的應用。在閥門控制方面，目前應用較多的是電磁閥，實踐證明電磁閥僅適用于水量較少、水質(zhì)比較干凈的室內(nèi)灌溉，對于水質(zhì)差，地形復雜的中國存在一定的使用局限性。另外，電磁閥的開啟狀態(tài)下需要電壓進行維持。

由于電磁閥是電磁閥控制重要核心構(gòu)件，一旦損害就意味著整個電磁閥不可用，直接造成灌溉成本的上升。以上種種原因，這就影響電磁閥使用的普遍性及我國地貌多元化的特點。為此，將電磁閥替換為電機控制水流開關(guān)，無需外接電源，在水資源的循環(huán)利用上有了大大的提高，能很好地解決電磁閥使用受限的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

水流自充電式閥門系統(tǒng)由包括閥體，閥芯、發(fā)電機、葉片、電機、導槽體、電池，濾芯等部件組成。

1.2 工作原理

當閥門處于開啟狀態(tài)時，管內(nèi)水流沖擊帶動水力發(fā)電機葉片轉(zhuǎn)動，發(fā)電機通過磁感應原理發(fā)電。此時，發(fā)電機產(chǎn)生電能為閥門電池充電。同時，當灌溉系統(tǒng)工作時，留有上次儲存電量的電池作為電源驅(qū)動電機，電機帶動導槽體上下運動，可控制先導閥腔體充水和放水。充水時，閥芯向下運動關(guān)閉閥門，放水時，利用水力自平衡原理，可使閥芯向上運動以打開閥門。

1.2.1 水力自平衡閥門工作原理

水力自平衡閥門的原理是在一定的流量范圍內(nèi)，通過閥門的自動調(diào)節(jié)動作，使閥門系統(tǒng)壓差增大；當壓差開始減小，閥門自動開大，使壓差仍保持恒定。

水流自充電式閥門的水力自平衡開閉實現(xiàn)方式如下：

在閥門開啟過程中，電機轉(zhuǎn)動使同步帶帶動導槽體運動，進水腔體的孔道3與導槽腔體的孔道4連通，孔道4與外界相通，水流在閥體彈簧的自恢復力作用和進水腔體內(nèi)水流壓力減小同時作用的情況下，閥門緩慢開啟。

當閥門關(guān)閉時，電機轉(zhuǎn)動使同步帶帶動導槽體運動，進水腔體的孔道3與導槽腔體的孔道2連通，進水側(cè)通過導槽腔體與進水腔體連通，閥門進水腔體上端面積設計為球面，下端設計為平面，在水力壓力相同情況下，閥門上端面積大于下端面積，即上端水流壓力大于下端壓力，從而實現(xiàn)閥門的自動關(guān)閉，截斷水流通過閥體管道。閥門俯視如圖2所示。

1.2.2 發(fā)電機工作原理

發(fā)電機腔體布置在進水前端，管道一側(cè)，水力發(fā)電機布置于發(fā)電機腔體內(nèi)，發(fā)電機定子固定，轉(zhuǎn)子與葉片相連，水流發(fā)電機經(jīng)過水流沖擊葉片旋轉(zhuǎn)提供給電能存儲模塊進行自充電功能。

圖2 閥門俯視圖結(jié)構(gòu)

進水腔體底部有孔道1與閥體管道相通，側(cè)壁有孔道2與導槽腔體相通，水流經(jīng)過底部孔道1進入腔體濾芯，經(jīng)濾芯過濾后可通過側(cè)壁孔道2進入導槽腔體。

1.2.3 導體槽工作原理

電動機與導槽體通過同步帶連接，電機控制導槽體上下運動。導槽腔體側(cè)壁有3個孔道，孔道2是與進水腔相通，孔道3是與先導閥腔體相通，孔道4是排水，且與3孔道在同一水平面上。

導槽體上有兩個導槽，上導槽可與孔道2、孔道3相通，下導槽可與孔道3及相通。當電機帶動導槽體運動至上導槽中心面與3孔道中心線同一水平面時，先導閥腔體充水，閥芯向下運動時閥門關(guān)閉；當電機代動導槽體下導槽中心面與3孔道中心線同一水平面時，先導閥腔體排水，閥芯向上運動使閥門打開。

導槽體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 導槽體結(jié)構(gòu)示意圖

1）傳動電機選型計算

TL（DX（M+G））/（ηXiX2）（Kgf·cm）

M：負載重量（Kg），G：輸送帶+傳動齒輪重量（Kg），D：驅(qū)動導體槽螺桿直徑（CM），i：減速比，η：效率（0.9），TL驅(qū)動力矩。通過公式計算便可選取對應電機進行傳動。

2）同步帶選型

同步帶傳動是綜合了帶傳動、鏈傳動以及齒輪傳動優(yōu)點的一種傳動方式，它兼有摩擦型帶傳動的優(yōu)點，能保持恒定的傳動比，而且結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，在電機與導槽體軸連過程中能緩沖吸振，可以實現(xiàn)電機小軸與導槽控制旋轉(zhuǎn)軸之間很好的傳遞動力，且價格低廉。無需潤滑、維護方便等特點。

由于設計中采用小輪帶大輪的結(jié)構(gòu)，要求傳動的承載能力較高，長期使用，皮帶自身的抗疲勞性能要好、使用壽命相對較長，所以對皮帶芯材料的強度要求較高，所以采用高扭矩橡膠同步帶作為傳動帶。

2 通訊模塊

由于閥門灌溉系統(tǒng)分布廣泛，采用有線方式進行架構(gòu)將產(chǎn)生巨大的成本及布線困難，不便于維護和管理，自充電系統(tǒng)也省去閥門控制系統(tǒng)的供電問題[14-15]。

閥門控制是采用小型直流電機來驅(qū)動閥門導槽體的上下移動，從而控制閥門的開關(guān)。當電機正轉(zhuǎn)時帶動導槽向下移動時，導槽體運動到指定位置時可打開閥門，反之當電機正轉(zhuǎn)時帶動導槽向上移動，導槽體運動到頂部位置時可關(guān)閉閥門。電機使用3 V電源供電，空載電流約350 mA，堵轉(zhuǎn)電流約1.3 A，短時間內(nèi)堵轉(zhuǎn)不會燒壞電機。因此通過I/O口驅(qū)動H橋電路控制電機正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對閥門的開關(guān)控制。在驅(qū)動導槽體上下運動時，驅(qū)動時間需要略大于導槽體完成行程時間，以保證對閥門的完全打開和完全關(guān)閉。

無線網(wǎng)絡通訊部分采用了DL-LN33無線自組網(wǎng)模塊作為數(shù)據(jù)傳輸媒介，該模塊是一款基于UART接口的無線傳輸模塊，采用TI的CC2530芯片，工作在2 400～2 450 MHz公用頻段，符合IEEE 802.15.4協(xié)議，支持無線自組網(wǎng)多跳傳輸[16-17]。DLLN33無線自組網(wǎng)模塊上電自動組網(wǎng)，模塊工作時，會與周圍的模塊自動組成一個無線多跳網(wǎng)絡，此網(wǎng)絡為對等網(wǎng)絡，不需要中心節(jié)點；微控制器（mcu）通過UART告訴模塊目標地址和待發(fā)數(shù)據(jù)，模塊會通過網(wǎng)絡選擇最優(yōu)路徑，將信息傳輸給目標模塊，而目標模塊能通過UART輸出源地址和數(shù)據(jù)。

閥門的開/關(guān)需要通過上位機指令來對其控制，上位機指令則依賴于無線通訊網(wǎng)絡來完成。每個閥門控制單元均有自己唯一的網(wǎng)絡地址，上位機通過無線通訊網(wǎng)絡向目標地址閥門控制單元發(fā)送：地址+數(shù)據(jù)或地址+指令，對目標節(jié)點進行指令或數(shù)據(jù)的傳輸。如上位機A需要控制閥門B打開，首先上位機需要通過對主機配置好B的網(wǎng)絡地址，以及需要對B操作的指令，然后通過UART發(fā)送給上位機端發(fā)送模塊處理，當上位機發(fā)送模塊接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)打包處理并發(fā)送，此過程無線自組網(wǎng)絡自動尋找目標地址最佳路徑并自動對地址進行校驗。匹配成功以后接收端對數(shù)據(jù)進行解碼然后得到相應數(shù)據(jù)或指令，即可對閥門做出相應控制動作。

通訊模式如圖4所示。

圖4 無線通訊模塊工作原理

3 儲能單元

儲能單元與水流發(fā)電機直接連接，用于儲存發(fā)水流發(fā)電機產(chǎn)生輸出的電能量。

儲能單元包括連接發(fā)電機的整流模塊和充電模塊，儲能單元電路見圖5。

圖5 儲能單元電路原理圖

儲能單元包括過電流保護二極管D1、電容C1、電流轉(zhuǎn)換芯片IC1、電容C2以及充電模塊。儲能單元工作原理為：輸入端連接水流發(fā)電機，水流發(fā)電機輸出電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換電路IC1轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V電壓輸出，同時給充電模塊進行蓄電池充電，充電模塊設置過壓保護功能，充電完成后自動停止充電。設計采用電流轉(zhuǎn)換芯片AM1117和LM7805芯片。當儲能單元工作時有以下輸出模式：

1）當閥門未打開時，水流發(fā)電機在首次使用時未進行儲能模塊充電，水流發(fā)電機輸出不能帶動傳動電機實現(xiàn)開閥操作，則儲能單元（安裝時內(nèi)部已提前儲存能量）直接供電傳動電機實現(xiàn)開閥操作。

2）當水流發(fā)電機正常工作后，水流發(fā)電機直接供給傳動電機實現(xiàn)關(guān)閥操作。

4 自充電式電動閥門在農(nóng)田灌溉系統(tǒng)中的適應性

1）取材方便、成本較低。閥體采用自平衡液壓閥門，講機械式手動操作利用電動機帶動同步帶進行替換，電機使用3 V電源供電，空載電流約350 mA，堵轉(zhuǎn)電流約1.3 A。無論是液壓閥門還是電機，都為市場上常見產(chǎn)品，保證了維護材料的易得性，且價格能被普通大眾所接待。

2）閥體可靠，使用壽命長。液壓自平衡閥門屬于工業(yè)級產(chǎn)品，閥體本身能承受較高水壓，自充電式電動閥門能承受215 MPa的壓力，閥體本身采用鑄鐵制作，機械強度及耐腐蝕性能得到很好的保障。閥體連接處內(nèi)置使用耐腐蝕、抗老化密封橡膠。在電機控制方面，傳動電機工作時間和頻率較少，一般只作閥門的開關(guān)工作時短短的時間使用，其它時間傳動電機一直處于掉電休眠狀態(tài)。綜合以上液壓自平衡閥門和電機傳動的控制方式，分析控制指標，自充電式電動閥門使用壽命較長，滿足設計要求。

3）關(guān)閉嚴密，能適應復雜水質(zhì)條件，維護簡便。充電式電動閥門的閥體本身通過水力自平衡實現(xiàn)閥門的開/關(guān)，前端通過水流流經(jīng)閥門的不同閥門腔體，改變上下腔的壓力實現(xiàn)閥門動作，閥門的開關(guān)平穩(wěn)，只需保證前端電機控制精準，便可實現(xiàn)閥門在關(guān)閉時的嚴密性。常用的閥門控制系統(tǒng)使用的電磁閥對水流的純凈度有較高要求，在農(nóng)田灌溉系統(tǒng)中由于水量集中、水源復雜、雜質(zhì)較多等容易造成閥門堵塞，直接影響閥門的密封性，常用方式為前端加裝濾網(wǎng)來實現(xiàn)凈水功能，這樣就會導致當濾網(wǎng)堵塞時產(chǎn)生水流中斷的危險，切不便于維護。而液壓自平衡閥門則無需將濾網(wǎng)加裝在閥體前端，減輕了清理難度，便于維護。

4）降低水力沖擊對閥門的損傷。閥門設計上，開啟和關(guān)閉過程都較為平穩(wěn)，且閥門開啟速度可控，閥門為逐級開啟，水流呈現(xiàn)緩慢增大的過程，降低了水錘作用對閥門本體幾管道的沖擊，保證了管道不會因為局部壓力過大而導致的爆裂危險，延長了灌溉系統(tǒng)的使用壽命。

5）通過組網(wǎng)通訊方式，在灌溉系統(tǒng)的各閥門控制上實現(xiàn)每組閥門對應相應控制輸出，形成集中控制模式，對于水資源的優(yōu)化分配起到了至關(guān)重要的作用，能適應分布廣袤，復雜多變的地形，得到很好的普及。

6）閥門可根據(jù)用戶需求設置不同的規(guī)格與口徑大小。由液壓自平衡閥門的工作原理可知，其口徑的大小僅與閥體上端水壓的大小有關(guān)，處于安全方面考慮，一般采用閥門全開或全關(guān)兩種狀態(tài)，不進行流量調(diào)節(jié)。由于農(nóng)田地形及需求灌溉的多樣性，對于不同大小的地塊，不同的用戶，可以選擇不同孔徑的管道進行灌溉網(wǎng)絡鋪設，可以提供口徑大小不等、規(guī)格多樣的自動閥門，且各種口徑的閥門其輸水量是可以確定的。為定時定量管理用水提供技術(shù)保障。

5 結(jié)束語

自充電式電動閥門通過管道水流本身的壓力差，帶動發(fā)電機發(fā)電，解決了普通閥門和通訊單元的供電問題，屬于低碳可循環(huán)式的能源利用模式，對環(huán)境不產(chǎn)生污染性影響。利用水流自平衡原理，實現(xiàn)了閥門的液壓控制模式，解決了偏遠地區(qū)受灌溉機械化的局限性。自充電式閥門除了在資源的高效利用方面進行了智能的優(yōu)化處理，同時采用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決了灌溉系統(tǒng)最后一公里的目的，利用在線監(jiān)測水力發(fā)電裝置發(fā)電量的統(tǒng)計，可以及時發(fā)現(xiàn)供水管道存在的水質(zhì)及管道是否堵塞進行數(shù)據(jù)挖掘和處理，也給未來的閥門控制系統(tǒng)與發(fā)電設備的有機結(jié)合提供了重要的參考。

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