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柳州市柏杜新能源
公司名稱: 柳州市柏杜新能源發展有限公司
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地址:廣西柳州市南環路塘頭路口
 
 

t太陽能水泵系統

光伏水泵系統的結構和原理

 

  光伏水泵系統大致由四部分組成:光伏陣列,控制器、電機和水泵。

  1.1光伏陣列

  光伏陣列由眾多的太陽電池串、并聯構成,其作用是直接把太陽能轉換為直流形式的電能。目前用于光伏水泵系統的太陽電池多為硅太陽電池,其中包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池。太陽電池的伏安特性曲線如圖:所示。它具有強烈的非線性。

  太陽電池輸出的最大功率就是它的額定功率。圖:中曲線上的大圓黑點表示在相應日射下太陽電池輸

  出最大功率的位置,稱“最大功率點".

  光伏陣列的伏王特性曲線具有和單體太陽電他同樣的形狀,若忽略單體太陽電池生產過程中的差異、組件相互之間的連接電阻,呂附設它”具有理想的一致性光伏陣列的伏安特性曲線可以看作僅是單體太陽電池伏安特性曲線按串、并聯方式放大其坐標的比例尺。

  1.2控制器

  光伏陣列的輸thtr乎特性曲線具有強那朔)線他而且和太陽輻照度、環境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件有密切關系,其輸出隨日照而變化的是直流電量,而作為光伏陣列負載的光伏水泵,它的驅動電機有時是直流電機,有時是交流電機甚至還有其它新型電機,它們同樣具有非線性性質。在這種情況下要使光伏泵系統工作在)、較理想的工況,而且叉,于任何日照,都要發揮光伏陣列輸出功率的最大潛力,這就要有一個適配器,使電肋負載之間能達至“和、皆、高效、穩定的工作狀態。適配器的內容主要是最大功率“點跟蹤器、逆變器以及一些保護設施等。

  1.2.1 最大功率點跟蹤器(MPPT)

  由光伏陣列伏安特性曲線可知,光伏陣列在不同太陽輻照度下輸出最大功率點位置并不固定,而且當環境溫度發生變化時,相應于同一輻照度的最大功率“點位置也將變化。為了實現最大功率“點跟蹤以獲取當前日照下最多的能量,MPPT通常做成兩種形式,以下分別予以介紹?!ず愣妷菏阶畲蠊β庶c跟蹤器(CVT式MPPT)。

  仔細觀察圖:中表示最大功率輸出的圓黑點一一最大功率點的位置,它們都坐落在Umax=const,的直線附近,特別是日射比較強時離Umax=const更近,同時考慮至仗陽電他具有以下溫度特優良陷溫度升高時,在同一日射條件下其開路電壓UOC將減小,短路電流Isc將伴有微小增大,再考慮到日射高時一般都具有較高環境溫度,而日射低時環璋溫度一般都要低一些的特特點,結合太陽電他的溫度特性,它們剛好都有利于使一日內最大功率點的軌跡更逼近于一根垂直線Umax=const,這就是說,在工程上允許人們把最大功率,點出現的軌跡近似地處理為一根垂直線Umax=const,這就構成TcvT式MPPT的理論根據。

  ·真正的MPPT

  C“T型MPPT有其不足之處,主要是因為光伏陣列的開路電壓Uoc、最大功率點電壓U。受溫度的影響較大,Um一旦設定,冬、夏會有較大偏離,這將會無,胃地損失相當一部分能量,因此人們在當今微機芯片性能/價格)、以及其實時,勝能不斷提高的情況下,不少系統已在著手采用?!罢嬲腗PPT”技術。

  在“真正的MPPT”技術中,人們采用了自尋優的概念,實時地測量光伏陣列的輸出功率,進行比較后,自動地尋找到最大功率點。不斷地尋找,不斷地調整,不斷地再尋找…,如此周而復始,系統一直處于微J、的調整之中。這種“真正的MPPT”可以自動適應冬、夏較大的溫差而毋需人工干預,十分有利于提高系統的全年效率。

  1.2.2變頻逆變器

  光伏陣列通過最大功率點跟蹤器以后的輸出是直流電壓,如果水泵所用驅動電機是直流電動機,當然就可以在二者電壓值相適配的情況下直接連接,電動機將帶動水泵旋轉揚水,例如美國Solarjack公司早年的安靜產品就是這樣。由于直流電動機的造價一般較高,還需要定期維護或更換其電刷,近若干年來,由于新型調速控制理論及功率電子器件、技術的進步,使交流調速技術有了長足的發展,其效率已逐步趕上直流電動機,而其使用的方便性和牢固性卻遠遠超過直流電動機,因此有刷直流電動機的驅動方式漸呈被淘汰之勢,而取而代之的主要是高效率的三相異步電動機及直流無刷電動機,也偶有采用永磁同步電動機或磁阻電動機的。后幾種電動機的驅動都要靠專用的變頻裝置或相應的電力電子驅動電路。:這里以三相異步電動機的驅動為例說明其驅動的基本原理。

  交流驅動常分為方波驅動(含階梯波驅動)及正弦波驅動兩大類。一般說功率較小的光伏水泵系統(300W以下),采用方波驅動的為多,功率較大時為限制其諧波損耗,常采用正弦波驅動。不論采用何種驅動,其基本電路結構都可分為以下四部分,即:

 ?。?)開關電源部分:它的作用是為控制器提供電源??刂破魍枰?V或+12V等控制電源,而太陽電池陣列的輸出電壓在絕大部分情形下是不可能直接為此所用,因此需要一個DC/DC變換裝置,把陣列的直流電壓變換為所需的直流電壓,這就是開關電源。

 ?。?)主電路及其驅動電路

  作為主電路的三相逆變電路的主要元件為功率電子器件,它們構成了全橋式逆變電路,大容量的電解電容作為儲能元件直接跨接在直流側兩端,當逆變電路關斷時,太陽電池陣列向電容充電,當逆變電路導通時,電容和太陽電池陣列一同為負載供電。

  驅動電路的設計與制作應精心進行,在使用功率MOsFET時要可靠地使柵極驅動電路具有良好的性能。

 ?。?)控制電路

  目前許多光伏水泵的控制電路已經采用先進的單片微機技術,經過了MsC-51系列、MCS96系列等發展過程,最近更推出了比較令人滿意的8XCI96系列,其中包括專門用于電機調速的80C196MC系列,它除了具有196系列的許多共有特點外,還具有特別適合于電動機驅動的特點,通過匯編語言的程序設計,在本系統中主要完成以下功能。

  ·完成系統要求的過流、欠壓、低速、打干保護等保護功能,顯示故障狀態;

  ·檢測主回路直流側的電流、電壓、計算出太陽電池陣列的輸出功率,完成在變頻調速過程中對陣列輸出最大功率點的跟蹤;

  ·按磁鏈追蹤或其它相應的變頻調速原理,發送SPWM信號。

 ?。?)保護電路

  出于對系統安全運行的考慮,需要設置諸如過電流、過電壓、過負荷、過低負荷、欠電壓、井水打干、停機后在各種條件下的自啟動……許多保護環節,要根據所選用的控制器件、控制電路因地制宜地把它們設置到電路中去。由于光伏水泵在絕大多數情況下都是“日出而作,日落而?!?、全自動地工作的,因此必須采用十分可靠的保護措施。

  1.3電機和水泵

  光伏水泵系統的一切措施都是為了能穩定、可靠地多出水,或者說最后都要落實在電機、水泵的工作上,它們往往構成一個總成件,這個總成件要求有最大限度的可靠性及高效率。對于光伏水泵而言,電機和水泵的搭配并不象常見的電機和水泵搭配那樣“隨便”,由于電機的功率等級、電壓等級在很大程度上受到太陽電他陣列的電壓等級和功率等級的制約,因此對水泵揚程、流量的要求被反映到電機上時,往往必須在兼顧陣列結構的條件下專門進行設計。出于不同用戶的不同要求,光伏水泵用驅動電機有:不同電壓等級的傳統直流電動機,直流無刷永磁電動機,三相異步電動機,永磁同步電動機,磁阻電動機等。從目前的使用情況看,以三相異步電動機及直流無刷電動機為最多,大功率系統仍以采用高效三相異步電動機為主。在進行電機設計時要充分考慮到光伏水泵的具體運行條件,主要是:變頻運行、負載率早晚變化較大等。在這種情況下要力爭使電動機全日、全年的總平均效率為最高,它不象普通電動機那樣可以認為它是一直處于具有恒定電壓的電源帶動下工作的。

  光伏水泵系統中水泵的選擇與設計也甚有特點。根據用戶對流量、揚程的不同要求,按經濟性、可靠性大致可按以下原則選擇泵型:

  要求流量小、揚程高的用戶,宜選用容積式水泵;要求流量較大,且揚程也較高的用戶,宜選用潛水式電泵;需要流量較大,但揚程卻較低的用戶,一般宜采用自吸式水泵。

 

光伏水泵系統的效率及特性

 

  ηarray--光伏陣列的轉換效率,ηinvert--具有MPPT功能的變頻逆變器效率,ηmotor--驅動的效率,ηpump--水泵效率,ηcoup--電機、水泵的機械耦合傳動效率。

  系統效率ηsys可以是瞬時系統效率,也可以是小時平均系統效率,日平均系數效率,月平均系統效率,季度平均系統效率,年度平均系統效率等。計算這些效率時要注意在上述定義公式中,分子與分母所選的積分限為相同的小時、日、月、季度或年,而常易混淆的是諸如把日平均效率看成是小時平均效率的算術平均值,或把月平均效率看成是一月內各天日平均效率的平均值。

  商品化光伏水泵系統的系統效率,其一般在1%-6%的范圍內不等。產品的質量參差不齊,更由于系統效率中包含了太陽電池的效率,僅根據系統效率難以判斷逆變器、機泵總成件等主要部件的效率情況,因此市場上通常把太陽電池的效率排除在外,給出一個“機泵系統效率”,這里“系統”二字的含意是已把MPPT、變頻逆變器的效率考慮在內。從目前世界市場的產品情況看,機泵系統效率相差很大,高的可達60%左右,低的僅10%左右。當然,功率等級不同、泵型及電動機類型不同都會有不同的效率范圍,在保證其可靠性的前提下要認真推敲其一定年限內的性能/價格比。

  光伏水泵系統的日揚水量受天氣(主要是日照)的影響很大,很難給出具體結果,只能根據某一具體時日的具體日照分布給出相應的系統工作狀況。

  如某一光伏水泵系統,其開始揚水(相應于揚程為某一定值時)的太陽輻照度約是420w/m2(時間大概是早上7:50),人們稱該“420W/m2”為該系統在揚程等于該一定值下的“揚水閾值”。揚水閾值是衡量一個光伏水泵系統工作狀況的重要指標,它既取決于光伏水泵系統質量的優劣,也取決于配用太陽電池陣列容量的大小,同一系統在相同的陣列容量及揚程下,閾值愈小愈好,這意味著水泵早打水,多打水。

 

光伏水泵系統的影響及發展前景

 

  聯合國國際開發署(UNDP)、世界銀行(WB)、亞太經社會(ESCAP)等國際組織部先后充分肯定了它的先進性與合理性,目前在這些國際組織的支持下,全世界已有數萬臺不同規格的光伏水泵在不同地區和國家運行,特別是在亞、非、拉及中東等發展中國家,已為許多貧困地區的人民帶來相當可觀的經濟效益,加速了這些地區的脫貧步伐.由于光伏水泵系統從技術上說是一個比較典型的“光、機、電一體化”系統,它涉及太陽能的采集、變換及電力電子、電機、水機、計算機控制等多個學科的最新技術,因此已被許多國家列為優先發展的高新技術和進一步發展的方向,中東、非洲有不少國家更是期望依藉太陽能水泵及省水微灌、現代化農業等新技術在地下水資源比較充裕的干旱地區把家園改造為綠洲.

  光伏水泵與柴油機水泵相比具有相當良好的經濟性.世界銀行在盛產石油的中東地區(如阿聯酋、約旦等國)作出了具有明確結論的經濟性比較,就其每立方米的水價而言,光伏水泵的水價與柴油機水泵水價持平的系統功率約在40kW,由于近幾年太陽電池及其它電子控制器件的降價,兩者水價持平的功率在75kW左右.如果太陽電池的價格下降至3美元/wp,兩者水價持平的功率在150kW~200kW左右.德國西門子公司基于近年在世界各地安裝、試驗、銷售各種規格光伏水泵經驗的基礎上,得出的結論是:柴油機水泵初期投資低是其優點,但隨著運行年數的增加,其運行維護費用將不斷增加,每立方米水的成本將因此而逐年增長.光伏水泵的初期投資偏大是其缺點,但此后由于它的運行費用低和維護少或免維護等特點,其水的成本上升很緩慢,十年以后,柴油機水泵的水成本將是光伏水泵水成本的兩倍還多,兩者的盈虧平衡點約在三年左右.印度在現有4000臺光伏水泵的基礎上,政府給予一定補貼計劃再推廣安裝50000臺(套)光伏水泵系統,每個系統的容量在1~5kW之間.

 

光伏水泵系統的幾種結構形式

 

  圖1和圖2為無人值守直(交)流光伏水泵系統,專門用于供水.圖1為直流水泵系統,適合微小供水場合;圖2為交流水泵系統,功率可達數kW,適于供水量較大的場合.圖3和圖4所示的系統具有多種用途,性能價格比較優越,可用于揚水,還可用于照明,收看電視和驅動冰箱等,能滿足無電用戶的用電需要.

 

直流水泵系統

交流水泵系統

 


 

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