【正文】 —光電互補(bǔ)可以有多種組配方式。此時(shí)，可以按照上述原則分別計(jì)算，然后比較優(yōu)劣，求得最佳匹配。從下表可以看出，利用風(fēng)能和太陽(yáng)能互補(bǔ)發(fā)電；性能價(jià)格比要高得多，發(fā)電品質(zhì)也好。31第三部分光電水泵系統(tǒng)原理及測(cè)試32３．１引言第三部分 光電水泵系統(tǒng)原理及測(cè)試水無(wú)論是對(duì)人們的日常生活還是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都是必不可少的，在當(dāng)今世界，大約有十幾億人連清潔衛(wèi)生的飲水都沒(méi)有保證。在許多干旱地區(qū)，由于缺乏水灌溉，土地逐漸形成鹽堿地，甚至被沙漠侵蝕。使得生態(tài)自然環(huán)境漸漸惡化，在我們這個(gè)人口多耕地少的國(guó)家里，仍有許多大片大片的荒地，僅是因?yàn)闊o(wú)水而未被開(kāi)墾利用。在諸多的水違紀(jì)地方，并不是沒(méi)有水源，而是缺乏合適的抽水工具及動(dòng)力。世界上諸多的偏僻、邊遠(yuǎn)、部落地區(qū)，至今未被電網(wǎng)覆蓋并在今后若干年內(nèi)也不可能鋪設(shè)常規(guī)電網(wǎng)。那么，使用常規(guī)的抽水工具也就遇到了很大的障礙，利用取之不盡，用之不竭的太陽(yáng)光能作動(dòng)力，以光電水泵為抽水工具是一種行之有效的并為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的好方法。光電水泵具有壽命長(zhǎng)、安全可靠、使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，從七十年代后期，國(guó)外許多生產(chǎn)廠家紛紛研制光電水泵。目前世界上約有四十多家廠商提供該類產(chǎn)品，其系統(tǒng)效率、可靠性能也在不斷提高；功率范圍從幾十瓦到 15 千瓦，品種也在不斷增加，西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家的光電水泵已經(jīng)系列化；并大量銷往到非洲、南美、中東和東南亞等地。迄今已有數(shù)十萬(wàn)臺(tái)光電水泵在世界各地可靠地運(yùn)行。隨著太陽(yáng)電池技術(shù)的迅速發(fā)展，光電水泵系統(tǒng)也將得到更廣泛的應(yīng)用。３．２ 光電水泵系統(tǒng)簡(jiǎn)介從光伏水泵的結(jié)構(gòu)形式分，可大致分成三類： 直耦式：圖 直耦式水泵系統(tǒng)特點(diǎn)是：①排除了電壓調(diào)節(jié)器和蓄電池，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)②系統(tǒng)可靠性和效率都很高③操作簡(jiǎn)單，晨起暮閉自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，很適合發(fā)展中國(guó)家的偏遠(yuǎn)地區(qū)④但適用范圍窄 帶有貯能裝置的光伏水泵：33主要特點(diǎn)是：①可隨時(shí)工作②適用性廣圖 帶有貯能的光伏水泵③機(jī)泵產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)量大、價(jià)格低廉 不帶貯能裝置的光伏水泵系統(tǒng)這是在第一種類的基礎(chǔ)上，增加逆變器和最大功率點(diǎn)跟蹤器而得到，驅(qū)動(dòng)常規(guī)的交流電機(jī)水泵工作。特點(diǎn)是：①適用性廣 ②機(jī)泵產(chǎn)品系列化，價(jià)格低廉 ③但因增加了電子控制和 D/A 轉(zhuǎn)換，效率有所降低圖 帶有功率點(diǎn)跟蹤的光伏水泵第二種分類方法是根據(jù)水泵的安裝位置分類： 淺水式：電機(jī)和水泵都安裝在地面上。便于維護(hù)修理，效率也較高。缺點(diǎn)是吸程有限（離心式為 7 米），限制了它的使用。 飄浮式：電機(jī)和水泵固定在飄浮物上，揚(yáng)程不超過(guò) 10 米，但流量卻可達(dá) 200 米3/天。 潛水式：電機(jī)和水泵構(gòu)成一體，沉于井、河等水下，可達(dá)較遠(yuǎn)揚(yáng)程（10 米～100 米），流量也可達(dá) 250 米/天。34三種形式如圖示： 圖 淺水式實(shí)物圖 圖 潛水式實(shí)物圖圖 飄浮式實(shí)物圖３．３ 光伏水泵系統(tǒng)各部分介紹主要介紹動(dòng)力部件：太陽(yáng)電池方陣、電機(jī)和水泵種類和性能 太陽(yáng)電池陣列前面章節(jié)已經(jīng)介紹過(guò)太陽(yáng)電池及其組件，及由這些組件構(gòu)成的方陣。在此僅強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，就是方陣的 IV 負(fù)載特性曲線，如圖示。方陣工作在 A 點(diǎn)，則輸出功率為 Pa=Ia﹡Va。工作在M 點(diǎn)輸出功率最大：Pm=Im﹡Vm。M 點(diǎn)為太陽(yáng)電池陣列的最佳工作點(diǎn)。應(yīng)盡可能地使光伏水泵系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)或其附近。35：圖 太陽(yáng)電池陣列 I－V 工作特性電機(jī)的種類繁多，可大致分成：：異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)b. 直流電機(jī)：他勵(lì)式電機(jī)、并勵(lì)式電機(jī)和復(fù)勵(lì)式電機(jī)c. 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)每種類電機(jī)都有各自的原理和工作特性，如對(duì)直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)其工作特性如圖所示。 圖 直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)工作特性A．速度特性：由電壓平衡方程可得：36則：Ea= CeΦnu = Ea+ I Ran = u I Ra aB．轉(zhuǎn)矩特性：CeΦT＝CTΦIaPT＝T2＋T0＝2T0Ω+3．水泵：水泵的種類也很多，根據(jù)作用原理可將水泵分成三大類：A． 葉片式泵：離心泵、軸流泵、混流泵和漩渦泵B．容積泵：往復(fù)泵和回轉(zhuǎn)泵C．其他類型泵：噴射泵和電磁泵下面典型選離心泵，介紹其工作原理及特性。離心泵是靠葉輪的旋轉(zhuǎn)使水受離心力的作用而得到壓力和速度。它的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕、效率高、流量大、易操作和維修，使用極廣。效率一般在 60～90％范圍。離心泵的性能曲線如下圖：圖 離心式水泵的工作特性曲線離心泵的性能曲線是液體在泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的外部表現(xiàn)形式。 光伏水泵各部件建模及理想匹配將光伏水泵各部件：太陽(yáng)電池陣列、水泵、電機(jī)進(jìn)行理論分析可分別獲得各部分的數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的性能關(guān)系表達(dá)式。根據(jù)這些性能分析進(jìn)行各部件之間的最佳匹配，以期得到學(xué)的最高工作效率。37首先，我們看光伏陣列，輸出功率 P＝IV。為獲得最大功率，微商 dp 應(yīng)為零，從而： dp＝IdV＋VdI＝0又對(duì) M 個(gè)電池并聯(lián)，N 個(gè)電池串聯(lián)的組件有IM=I1? I??q?VIRS ? ??也可寫(xiě)成：0?exp??? NkT??N+M??? ??1???(M I + I) ? I ?(C MV + NIRs) =ln?0 LMI?微分該方程用到 IdV＝－VdI，得：(?C1=qNMVKT) = I0?聯(lián)立解得：?C MV ? NIRs( ) ? I ?M I0+ IL[(M I0+ IIL)? I]或ln??MI0? ??((M I0+ I)(LC NIR) ? I=21s)這里x ln x = G x + 1 G2? x( ) ? IM I0+ ILx =MI0G1= 2C NMR I0G =I0+IL2I0為找到其解，可解兩條曲線 y＝xlnx 和 y＝(G1x+1)(G2x)的交點(diǎn)，即為其解。設(shè)初值為：xinitial=G2當(dāng)解得 x，即可得到最大功率點(diǎn)的 I、V：Im=[(M I0+ IL) ? xI0]V = NI R+I即mMs m[(M I0+ IL) ?]I C M再看直流電機(jī)的模型，其基本方程：Pm= I V?m38E = KeΦW= +VaE I Raτ = Kτ ΦIa這兒 K 是給定電機(jī)的常數(shù)，以他勵(lì)永磁電機(jī)為例，磁通是常量，解得電流和電壓為：Ia= τKτΦτR2πVa= KeΦC S +aK Φ,C0=60τ其次，分析離心水泵的模型：機(jī)械負(fù)載特性一般可描述成?x()? ssτ1= τ0+ τn1 ? τ0??0??式中，x=0，恒定轉(zhuǎn)矩；x＝1，粘滯摩擦；x＝2，恒定水頭離心泵。從而，離心泵的?2()?簡(jiǎn)化又可寫(xiě)成：式中τ1= τ0+ τn1 ? τ0??ss0??τ1= +A BS2(τ τ )A =τ0,B =?n1 0S20一般情況，H＝A1Q2＋2B1SQ＋C1S2，ABC1從泵的制造數(shù)據(jù)中可得到。在給定水頭 H 下，對(duì)每一旋轉(zhuǎn)速度的值，可以確定電機(jī)的電流和電壓：A BS2Ia=K ΦτV = K ΦC S + R A BS2aeaKτ Φ根據(jù)電機(jī)－泵分系統(tǒng)的電流 Ia、電壓 Va對(duì)應(yīng)于恒定水頭下的各個(gè)速度值的工作曲線和太陽(yáng)電池陣列的 I－V 負(fù)載曲線，即可得到一個(gè)交點(diǎn)，此交點(diǎn)也即為工作點(diǎn)，為了使全系統(tǒng)工作在最佳匹配狀態(tài)，可根據(jù)電機(jī)－泵分系統(tǒng)的 Ia、Va曲線，獲得對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)電池陣列結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)，則就得到直耦式光伏水泵，也可采用最大功率點(diǎn)跟蹤器調(diào)節(jié)兩分系統(tǒng)的匹配，跟蹤在最佳狀態(tài)。下面再談一下理論效率的計(jì)算：一旦知道工作速度，就可以計(jì)算給定水頭的流速，然后可以得到兩種配置系統(tǒng)的效率。輸出和輸入功率是：Pout= ρgQH ,Pin= RANM 10439其中， R：太陽(yáng)輻射強(qiáng)度； A：太陽(yáng)電池表面積（cm2）；N：電池串聯(lián)數(shù)；總效率是：M：電池并聯(lián)數(shù)。η0= ρgQH 104RANM當(dāng)從電機(jī)方程知道轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以得各部件的效率泵：η ρgQH電機(jī)：pη=τC SτC S 光伏水泵的性能測(cè)試m= 0V Ia a本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹光伏水泵的性能測(cè)試內(nèi)容及有關(guān)測(cè)試系統(tǒng)。研制和生產(chǎn)一種光伏水泵過(guò)程中，其性能測(cè)試是很重要的環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)及測(cè)試通常是在模擬或現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)下進(jìn)行，包括三個(gè)實(shí)驗(yàn)研究部分：一、部件特性。二、全泵系統(tǒng)特性。三、補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。如下列方框圖所示：如下圖，給出室內(nèi)和室外測(cè)試系統(tǒng)圖：40圖 室內(nèi)和室外測(cè)試系統(tǒng)圖下圖給出若干測(cè)試結(jié)果圖表及曲線:4142