【正文】 光伏水泵系統(tǒng)的選型 本文選用的光伏水泵以及光伏水泵產(chǎn)品型號(hào)定義 SPA4370010光伏水泵參數(shù)型號(hào)水泵規(guī)格揚(yáng)程說(shuō)明流量范圍出水口徑適用井徑推薦開(kāi)路電壓范圍推薦工作電壓范圍SPA41K10603PH 220V 50Hz23 12 m40 60m350 mm100 mm350430VDC350430VDC： 閥控式密封免維護(hù)膠體蓄電池是具備優(yōu)良的品質(zhì)、卓越的性能受到用戶(hù)的廣泛贊譽(yù)。 近年來(lái)，隨著全球太陽(yáng)能電力產(chǎn)品不斷從城市應(yīng)用市場(chǎng)走向更大規(guī)模的農(nóng)田、草場(chǎng)、荒漠等需求市場(chǎng)，光伏水泵成為把光伏產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)整合發(fā)展的核心產(chǎn)品。應(yīng)用時(shí)，根據(jù)揚(yáng)程和日用水量的需求配置相應(yīng)功率的太陽(yáng)能電池陣列后，稱(chēng)為光伏揚(yáng)水系統(tǒng)。l 具有可選的6個(gè)水位傳感器?？杉嫒菔忻嫔细嗟闹绷魉?。l 通過(guò)CE認(rèn)證 。l 系統(tǒng)匹配性好，課借光伏組件也可接蓄電池。l 完善的系統(tǒng)保護(hù)功能，如過(guò)呀、欠壓、過(guò)流、過(guò)載等。l 使用矢量控制技術(shù)，正弦波電流輸出。技術(shù)參數(shù)光電轉(zhuǎn)換效率：15%電池板開(kāi)路電壓： 電池板最佳工作電壓：絕緣電阻：大于200兆歐填充因子FF%：70%使用壽命大于20年本文選用MNESPD1KV6直流控制器 本文所選用的控制器產(chǎn)品特點(diǎn)：l 使用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)。l 可全天候運(yùn)行 l 個(gè)性化的解決方案 主要應(yīng)用范圍：◆ 沙漠治理 海水淡化 農(nóng)業(yè)灌溉 生活用水◆ 林業(yè)澆灌 城市水景 景觀噴泉 草原畜牧◆ 海島供水 水處理工程 南寧的具體情況選擇型的光伏水泵系統(tǒng)，揚(yáng)程24m，流量500m3/Day 光伏水泵系統(tǒng)的選型 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及報(bào)價(jià) 水泵功率1000W，每天工作60分鐘，可保證連續(xù)57陰雨天正常工作。l 輸入電壓范圍廣，適配多種光伏組件。 光伏水泵系統(tǒng)的理論圖 光伏水泵系統(tǒng)的實(shí)際圖 南寧的地理位置情況城市地名數(shù)據(jù)日輻射量kJ/m2斜面日均輻射量kJ/m峰值日照時(shí)數(shù)h修正系數(shù)Kop緯度Φ最佳傾角Φ年平均日照時(shí)間h全年日照時(shí)間h南寧1251512734Φ+5南寧的日用水流量大約為500m3/Day，本論文用水泵的揚(yáng)程為20m左右 光伏水泵系統(tǒng)特點(diǎn) l 全自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人工值守。太陽(yáng)電池陣列由多塊太陽(yáng)電池組件串并聯(lián)而成，吸收日照輻射能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力電源。5. 陣列組件的估算陣列峰瓦功率Pu的估算： ()式中：ηc為逆變器的效率，ηm為電機(jī)的效率，灰塵等因素影響而引入的系數(shù)。一天中日照強(qiáng)度最大值Lm與等效日照時(shí)間Te的乘積為一天光伏陣列吸收到的總能量由上圖可知： ()2. 流量的估算設(shè)用戶(hù)每天的用水總量為G(m3)，則每小時(shí)流量Q為 ()3. 揚(yáng)程估算 光伏水泵系統(tǒng)的選型 揚(yáng)程估算計(jì)算比較難，水泵管道的損失系數(shù)和管道的直徑、材料有關(guān)，每個(gè)廠商的損失系數(shù)都不相同，所以多采用考察地理情況和經(jīng)驗(yàn)判斷的方法。在實(shí)際生活中可以用以下方法進(jìn)行估算。根據(jù)時(shí)間的長(zhǎng)短ηs可以代表小時(shí)、日、月、甚至年平均系統(tǒng)效率。、揚(yáng)程與系統(tǒng)功率的匹配光伏水泵系統(tǒng)效率算公式：() 上式中W(t)為水泵輸出功率與時(shí)間的函數(shù)，S(t)為日照強(qiáng)度與時(shí)間的函數(shù)。 光伏水泵性能曲線 水泵系統(tǒng)效率隨輸入功率的變化曲線 要實(shí)現(xiàn)最大全日效率，必須要讓光伏水泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率跟蹤，讓每個(gè)時(shí)刻處于最大效率狀態(tài)。 對(duì)于一般設(shè)計(jì)的水泵系統(tǒng)，確定其揚(yáng)程后，其效率必定會(huì)有其最大值，稱(chēng)為最大瞬時(shí)效率。當(dāng)所選擇的水泵Q和H數(shù)值接近額定值時(shí)，水泵的效率基本可以穩(wěn)定在85%90%之間。 如圖2．17所示，恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)光伏水泵性能曲線，其中H表示水泵的揚(yáng)程，P表示水泵的功率，η表示水泵的效率。如何能讓系統(tǒng)處于較高的效率狀態(tài)下，就顯得十分重要了。軸功率Pa，光伏水泵去除損耗后水泵軸上的有效功率。合理選泵有以下三個(gè)方面：流量和揚(yáng)程的要與水泵的選擇相匹配；體積小、重量輕、造價(jià)便宜，又要具有良好的特性和較高的效率；不易損壞，壽命長(zhǎng)。類(lèi)型特點(diǎn)離心式水泵輸出與泵的轉(zhuǎn)速成正比，多用于從深井中和鉆孔中抽水容積式水泵其消耗功率的大小是與水泵的實(shí)際流量成正比的，水泵的流量會(huì)隨揚(yáng)程的增加而減小，用在揚(yáng)程小、流量大的系統(tǒng)中 水泵的分類(lèi) 考慮到本課題要求低揚(yáng)程、高流量，所以本系統(tǒng)采用離心式潛水泵。因此水泵的選型要根據(jù)地理情況和經(jīng)濟(jì)性決定。該電機(jī)是三相六拍式的無(wú)刷直流電機(jī)，原理是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，定子繞組需要換相六次，每個(gè)極下?lián)Q相三次。 光伏水泵 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)近年來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)在廣泛的領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展，同時(shí)也得到了人們的一致認(rèn)同。 電機(jī)的選擇光伏水泵系統(tǒng)所用驅(qū)動(dòng)電機(jī)可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi)別，即無(wú)刷直流電機(jī)和三相異步電機(jī)。 光伏水泵系統(tǒng)電機(jī)研究 方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 恒定電壓法易實(shí)現(xiàn)，控制簡(jiǎn)單，可靠性高，穩(wěn)定性好精度差，受外界環(huán)境和自身工作狀態(tài)影響顯著 擾動(dòng)觀測(cè)法算法簡(jiǎn)明，容易實(shí)現(xiàn)，成本低只能在陣列最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致部分功率損失功率回授控制法計(jì)算方便，算法最簡(jiǎn)單可靠性和穩(wěn)定性均不佳，在實(shí)際應(yīng)用中較少采用 電導(dǎo)增量法控制效果好，精度高計(jì)算量大，對(duì)控制系統(tǒng)要求高 光伏水泵系統(tǒng)電機(jī)研究光伏陣列的功率和電壓直接影響電機(jī)的功率，光伏水泵的流量揚(yáng)程要求被反映到電機(jī)上，所以光伏水泵在電機(jī)和水泵的搭配方面有著較為嚴(yán)格的要求，往往要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)。(4)電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法精度高，它的的原理是對(duì)光伏陣列的電壓和電流進(jìn)行采樣，然后比較光伏陣列的瞬間電導(dǎo)和電導(dǎo)增量來(lái)改變控制信號(hào)，是一種常用的MPPT控制方法。 (3) 功率回授控制法 功率回授控制法原理是一種被動(dòng)式尋找最大功率法。若所側(cè)輸出功率降低，則最大功率點(diǎn)在當(dāng)前工作點(diǎn)的左邊，應(yīng)當(dāng)降低輸出電壓，在下一控制周期加負(fù)向電壓擾動(dòng)，使工作點(diǎn)左移。擾動(dòng)觀測(cè)法的原理是先讓光伏陣列工作在某一參考電壓下，檢測(cè)輸出功率，然后在這個(gè)工作電壓基礎(chǔ)之上，加一個(gè)正向電壓擾動(dòng)量。可以看出，系統(tǒng)只需要對(duì)光伏電池的輸出端口電壓UPV進(jìn)行采樣，并同光伏電池端電壓的參考值UPV2進(jìn)行比較，若輸出端口電壓同電壓指令值不通，則通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整光伏電池負(fù)載特性，使得調(diào)整后光伏電池的輸出端口電壓等于參考值。2．常見(jiàn)的最大功率跟蹤算法 實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的方法有很多，比較典型的方法有恒定電壓法（CVT）、干擾觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法等。多數(shù)情況下會(huì)輔以適當(dāng)角度的修正值。從我國(guó)的國(guó)情出發(fā)，光伏陣列一般朝向正南方或是稍微偏向西，水平方位角多取5αp10。如果安放角度不合理，陣列的輸出功率會(huì)降低。串聯(lián)數(shù)目有一定限制，要根據(jù)其最大功率點(diǎn)電壓與負(fù)載運(yùn)行電壓相匹配的原則來(lái)設(shè)計(jì)，一般是先根據(jù)所需電壓高低用光伏組件串聯(lián)構(gòu)成若干串，再根據(jù)所需電容進(jìn)行并聯(lián)。串聯(lián)后的陣列輸出電壓為各光伏組件輸出電壓之和，輸出電流不變；并聯(lián)后的陣列輸出電流為各光伏組件輸出電流之和，輸出電壓不變。最大功率點(diǎn)跟蹤的目標(biāo)是讓太陽(yáng)能電池實(shí)時(shí)輸出最大功率，使其發(fā)揮最大效率，是光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 圖 不同日照下太陽(yáng)電池IU曲線 光伏水泵系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制(MPPT)在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下光伏陣列可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值，這時(shí)光伏陣列的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)（MPP）?？梢钥闯觯到y(tǒng)工作點(diǎn)和最大功率點(diǎn)有著些許的差距，這說(shuō)明了當(dāng)前的光伏陣列不能提供最大功率。 光伏水泵系統(tǒng)電機(jī)研究 光伏水泵最大功率跟蹤控制(MPPT) (a) (b) 、PV 特性曲線。(a)(b)為日照強(qiáng)度改變的情況下IV和PV的特性曲線。 (a)所示；溫度越高效太陽(yáng)電池的輸出功率越低，(b)所示，PV曲線也得到了相同的結(jié)果。 太陽(yáng)電池的IV特性曲線 太陽(yáng)能電池陣列 太陽(yáng)能電池的輸出特性 下面對(duì)影響太陽(yáng)電池特性的因素一一進(jìn)行介紹。因此，光伏電池的輸出最大功率點(diǎn)Pmax、短路電流Isc、開(kāi)路電壓Voc等參數(shù)也要不斷變化，讓光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行不斷的調(diào)整以及優(yōu)化，使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)上。IV曲線具有高度的非線性特征，PV曲線中，輸出功率先上升然后下降，兩者都存在著最大功率點(diǎn)的問(wèn)題。 太陽(yáng)電池單元等效電路圖顯然，IR的大小為： (21) 太陽(yáng)能電池陣列 式中 IR為穩(wěn)定狀態(tài)下的負(fù)載電流；ID為電池P—N結(jié)中的正向電流；IO為電池P—N結(jié)在無(wú)光照時(shí)的反向飽和電流；Ui為結(jié)電壓，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)等于負(fù)載電壓URK為玻耳茲曼常數(shù)(J/K)；T為太陽(yáng)電池的絕對(duì)溫度；q為電子電荷量()e；IL為電池在光照下產(chǎn)生的光生恒流電流，其值正比于光照強(qiáng)度，與電池溫度有關(guān)。這個(gè)等效線路說(shuō)明，太陽(yáng)能電池受光照射后產(chǎn)生了一定的光電流IL，其中一部分用來(lái)抵消PN結(jié)的結(jié)電流ID，另一部分為供給負(fù)載的電流， 其負(fù)載電壓UR、節(jié)電流ID、負(fù)載電流IR的大小都與負(fù)載電阻RL有關(guān)。 光生伏特效應(yīng)原理示意圖理想等效電路：可以把太陽(yáng)能電池當(dāng)作是一理想的、能穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流IL的電流源 (只要光源穩(wěn)定）。太陽(yáng)電池可利用的電子主要是價(jià)帶電子。在干旱的時(shí)候可以使用，在水量充足的時(shí)候進(jìn)行存儲(chǔ)以備不時(shí)之需。在功率不大的系統(tǒng)中，小流量高揚(yáng)程應(yīng)選擇容積水泵；大流