光伏水泵系统

光伏水泵系统
引言
    “光伏水泵系统”亦称“太阳能光电水泵系统”，其基本原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。它具有无噪声、全自动（日出而作，日落而停）、高可靠、供水量与蒸发量适配性好（“天大旱，它大干”）等许多优点。联合国国际开发署（UNDP）、世界银行（WB）、亚太经社会（ESCAP）等国际组织部先后充分肯定了它的先进性与合理性，目前在这些国际组织的支持下，全世界已有数万台不同规格的光伏水泵在不同地区和国家运行，特别是在亚、非、拉及中东等发展中国家，已为许多贫困地区的人民带来相当可观的经济效益，加速了这些地区的脱贫步伐。由于光伏水泵系统从技术上说是一个比较典型的“光、机、电一体化”系统，它涉及太阳能的采集、变换及电力电子、电机、水机、计算机控制等多个学科的最新技术，因此已被许多国家列为优先发展的高新技术和进一步发展的方向，中东、非洲有不少国家更是期望依藉太阳能水泵及省水微灌、现代化农业等新技术在地下水资源比较充裕的干旱地区把家园改造为绿洲。
      光伏水泵与柴油机水泵相比具有相当良好的经济性。世界银行在盛产石油的中东地区（如阿联酋、约旦等国）作出了具有明确结论的经济性比较，就其每立方米的水价而言，光伏水泵的水价与柴油机水泵水价持平的系统功率约在40kW，由于近几年太阳电池及其它电子控制器件的降价，两者水价持平的功率在75kw左右。如果太阳电池的价格下降至3美元／wp，两者水价持平的功率在150kW-200kW左右。德国西门子公司基于近年在世界各地安装、试验、销售各种规格光伏水泵经验的基础上，得出的结论是：柴油机水泵初期投“资低是其优点，但随着运行年数的增加，其运行维护费用将不断增加，每立方米水的成本将因此而逐年增长。光伏水泵的初期投资偏大是其缺点，但此后由于它的运行费用低和少维护或免维护等特点，其水的成本上升很缓慢，十年以后，柴油机水泵的水成本将是光伏水泵水成本的两倍还多，两者的盈亏平衡点约在三年左右。印度在现有4000台光伏水泵的基础上，政府给予一定补贴计划再推广安装50000台套光伏水泵系统，每个系统的容量在1-5kW，之间。
1系统的基本构成
      光伏水泵系统大致由四部分组成：光伏阵列，控制器、电机和水泵。
1．1光伏阵列
      光伏阵列由众多的太阳电池串、并联构成，其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。目前用于光伏水泵系统的太阳电池多为硅太阳电池，其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。太阳电池的伏安特性曲线如图：所示。它具有强烈的非线性。
                                              太阳电池输出的最大功率就是它的额定功率。图：中曲线上的大圆黑点表示在相应日射下太阳电池输
    出最大功率的位置，称“最大功率点".
    光伏阵列的伏王特性曲线具有和单体太阳电他同样的形状，若忽略单体太阳电池生产过程中的差异、组件相互之间的连接电阻，吕附设它”具有理想的一致性光伏阵列的伏安特性曲线可以看作仅是单体太阳电池伏安特性曲线按串、并联方式放大其坐标的比例尺。
    1．2控制器
    光伏阵列的输thtr乎特性曲线具有强那朔）线他而且和太阳辐照度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件有密切关系，其输出随日照而变化的是直流电量，而作为光伏阵列负载的光伏水泵，它的驱动电机有时是直流电机，有时是交流电机甚至还有其它新型电机，它们同样具有非线性性质。在这种情况下要使光伏泵系统工作在）、较理想的工况，而且叉，于任何日照，都要发挥光伏阵列输出功率的最大潜力，这就要有一个适配器，使电肋负载之间能达至“和、皆、高效、稳定的工作状态。适配器的内容主要是最大功率“点跟踪器、逆变器以及一些保护设施等。
    1．2．1 最大功率点跟踪器（MPPT）
    由光伏阵列伏安特性曲线可知，光伏阵列在不同太阳辐照度下输出最大功率点位置并不固定，而且当环境温度发生变化时，相应于同一辐照度的最大功率“点位置也将变化。为了实现最大功率“点跟踪以获取当前日照下最多的能量，MPPT通常做成两种形式，以下分别予以介绍。•恒定电压式最大功率点跟踪器（CVT式MPPT）。
    仔细观察图：中表示最大功率输出的圆黑点一一最大功率点的位置，它们都坐落在Umax=const，的直线附近，特别是日射比较强时离Umax=const更近，同时考虑至仗阳电他具有以下温度特优良陷温度升高时，在同一日射条件下其开路电压UOC将减小，短路电流Isc将伴有微小增大，再考虑到日射高时一般都具有较高环境温度，而日射低时环璋温度一般都要低一些的特特点，结合太阳电他的温度特性，它们刚好都有利于使一日内最大功率点的轨迹更逼近于一根垂直线Umax=const，这就是说，在工程上允许人们把最大功率，点出现的轨迹近似地处理为一根垂直线Umax=const，这就构成TcvT式MPPT的理论根据。
    •真正的MPPT
    C“T型MPPT有其不足之处，主要是因为光伏阵列的开路电压Uoc、最大功率点电压U。受温度的影响较大，Um一旦设定，冬、夏会有较大偏离，这将会无，胃地损失相当一部分能量，因此人们在当今微机芯片性能／价格）、以及其实时，胜能不断提高的情况下，不少系统已在着手采用。“真正的MPPT”技术。
    在“真正的MPPT”技术中，人们采用了自寻优的概念，实时地测量光伏阵列的输出功率，进行比较后，自动地寻找到最大功率点。不断地寻找，不断地调整，不断地再寻找…，如此周而复始，系统一直处于微J、的调整之中。这种“真正的MPPT”可以自动适应冬、夏较大的温差而毋需人工干预，十分有利于提高系统的全年效率。
1．2．2变频逆变器
    光伏阵列通过最大功率点跟踪器以后的输出是直流电压，如果水泵所用驱动电机是直流电动机，当然就可以在二者电压值相适配的情况下直接连接，电动机将带动水泵旋转扬水，例如美国Solarjack公司早年的安静产品就是这样。由于直流电动机的造价一般较高，还需要定期维护或更换其电刷，近若干年来，由于新型调速控制理论及功率电子器件、技术的进步，使交流调速技术有了长足的发展，其效率已逐步赶上直流电动机，而其使用的方便性和牢固性却远远超过直流电动机，因此有刷直流电动机的驱动方式渐呈被淘汰之势，而取而代之的主要是高效率的三相异步电动机及直流无刷电动机，也偶有采用永磁同步电动机或磁阻电动机的。后几种电动机的驱动都要靠专用的变频装置或相应的电力电子驱动电路。：这里以三相异步电动机的驱动为例说明其驱动的基本原理。
    交流驱动常分为方波驱动（含阶梯波驱动）及正弦波驱动两大类。一般说功率较小的光伏水泵系统（300W以下），采用方波驱动的为多，功率较大时为限制其谐波损耗，常采用正弦波驱动。不论采用何种驱动，其基本电路结构都可分为以下四部分，即：
    （1）开关电源部分：它的作用是为控制器提供电源。控制器往往需要士5V或＋12V等控制电源，而太阳电池阵列的输出电压在绝大部分情形下是不可能直接为此所用，因此需要一个DC／DC变换装置，把阵列的直流电压变换为所需的直流电压，这就是开关电源。
    （2）主电路及其驱动电路
    作为主电路的三相逆变电路的主要元件为功率电子器件，它们构成了全桥式逆变电路，大容量的电解电容作为储能元件直接跨接在直流侧两端，当逆变电路关断时，太阳电池阵列向电容充电，当逆变电路导通时，电容和太阳电池阵列一同为负载供电。
    驱动电路的设计与制作应精心进行，在使用功率MOsFET时要可靠地使栅极驱动电路具有良好的性能。
    （3）控制电路
      目前许多光伏水泵的控制电路已经采用先进的单片微机技术，经过了MsC-51系列、MCS96系列等发展过程，最近更推出了比较令人满意的8XCI96系列，其中包括专门用于电机调速的80C196MC系列，它除了具有196系列的许多共有特点外，还具有特别适合于电动机驱动的特点，通过汇编语言的程序设计，在本系统中主要完成以下功能。
      •完成系统要求的过流、欠压、低速、打干保护等保护功能，显示故障状态；
      •检测主回路直流侧的电流、电压、计算出太阳电池阵列的输出功率，完成在变频调速过程中对阵列输出最大功率点的跟踪；
      •按磁链追踪或其它相应的变频调速原理，发送SPWM信号。
      （4）保护电路
    出于对系统安全运行的考虑，需要设置诸如过电流、过电压、过负荷、过低负荷、欠电压、井水打干、停机后在各种条件下的自启动……许多保护环节，要根据所选用的控制器件、控制电路因地制宜地把它们设置到电路中去。由于光伏水泵在绝大多数情况下都是“日出而作，日落而停”、全自动地工作的，因此必须采用十分可靠的保护措施。
1．3电机和水泵
    光伏水泵系统的一切措施都是为了能稳定、可靠地多出水，或者说最后都要落实在电机、水泵的工作上，它们往往构成一个总成件，这个总成件要求有最大限度的可靠性及高效率。对于光伏水泵而言，电机和水泵的搭配并不象常见的电机和水泵搭配那样“随便”，由于电机的功率等级、电压等级在很大程度上受到太阳电他阵列的电压等级和功率等级的制约，因此对水泵扬程、流量的要求被反映到电机上时，往往必须在兼顾阵列结构的条件下专门进行设计。出于不同用户的不同要求，光伏水泵用驱动电机有：不同电压等级的传统直流电动机，直流无刷永磁电动机，三相异步电动机，永磁同步电动机，磁阻电动机等。从目前的使用情况看，以三相异步电动机及直流无刷电动机为最多，大功率系统仍以采用高效三相异步电动机为主。在进行电机设计时要充分考虑到光伏水泵的具体运行条件，主要是：变频运行、负载率早晚变化较大等。在这种情况下要力争使电动机全日、全年的总平均效率为最高，它不象普通电动机那样可以认为它是一直处于具有恒定电压的电源带动下工作的。
光伏水泵系统中水泵的选择与设计也甚有特点。根据用户对流量、扬程的不同要求，按经济性、可靠性大致可按以下原则选择泵型：
      要求流量小、扬程高的用户，宜选用容积式水泵；要求流量较大，且扬程也较高的用户，宜选用潜水式电泵；需要流量较大，但扬程却较低的用户，一般宜采用自吸式水泵。
2。光伏水泵系统的效率及特性
 
      上式中：ηarray——光伏阵列的转换效率，ηinvert——具有MPPT功能的变频逆变器效率，ηmotor——驱动的效率，ηpump——水泵效率，ηcoup——电机、水泵的机械耦合传动效率。
      系统效率ηsys可以是瞬时系统效率，也可以是小时平均系统效率，日平均系数效率，月平均系统效率，季度平均系统效率，年度平均系统效率等。计算这些效率时要注意在上述定义公式中，分子与分母所选的积分限为相同的小时、日、月、季度或年，而常易混淆的是诸如把日平均效率看成是小时平均效率的算术平均值，或把月平均效率看成是一月内各天日平均效率的平均值。
      商品化光伏水泵系统的系统效率，其一般在1％-6％的范围内不等。产品的质量参差不齐，更由于系统效率中包含了太阳电池的效率，仅根据系统效率难以判断逆变器、机泵总成件等主要部件的效率情况，因此市场上通常把太阳电池的效率排除在外，给出一个“机泵系统效率”，这里“系统”二字的含意是已把MPPT、变频逆变器的效率考虑在内。从目前世界市场的产品情况看，机泵系统效率相差很大，高的可达60％左右，低的仅10％左右。当然，功率等级不同、泵型及电动机类型不同都会有不同的效率范围，在保证其可靠性的前提下要认真推敲其一定年限内的性能／价格比。
      光伏水泵系统的日扬水量受天气（主要是日照）的影响很大，很难给出具体结果，只能根据某一具体时日的具体日照分布给出相应的系统工作状况。
      如某一光伏水泵系统，其开始扬水（相应于扬程为某一定值时）的太阳辐照度约是420w／m2（时间大概是早上7：50），人们称该“420W／m2”为该系统在扬程等于该一定值下的“扬水阈值”。扬水阈值是衡量一个光伏水泵系统工作状况的重要指标，它既取决于光伏水泵系统质量的优劣，也取决于配用太阳电池阵列容量的大小，同一系统在相同的阵列容量及扬程下，阈值愈小愈好，这意味着水泵早打水，多打水。
      为了进一步发展、改进光伏水泵系统的设计、制造及试验，我国已经推出了相应的系统仿真、系统CAD及优化配置等软件包。