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1、第九章 光伏水泵9.1光伏水泵概述当今，随着常规能源如石油、煤炭等消耗量的大规模增加，日益恶化的生态环境迫使世各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到了人类的重视，而这其中，太阳能无疑处于最突出的地位。现在，在我国大西北、西藏和内蒙古等远离电网的偏远地区，很多人喝不到干净的饮用水，而这些地区同时又是太阳能资源非常丰富的地区，因此，在这些地区发展光伏水泵技术具有明显的社会效益和经济效益。 光伏水泵系统的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、高可靠、供水量与蒸发量
2、适配性好等许多优点。联合国计划开发署、世界银行、亚太经社会等国际组织都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，加速这些地区的发展步伐。光伏水泵的重要特点是负载的季节性与太阳辐射强度一致。就是说，太阳辐射越强，地面的蒸发量大，此时光伏水泵的抽水量也大；反之，如果遇到阴雨天，太阳辐射越弱，地面的蒸发量小，此时植物也不需要灌溉了。光伏扬水生态环境试验站采用的灌溉模式，沙漠的水是非常宝贵的，且来之不易，显然常规漫灌方式不可取，必须选择高效节水
3、灌溉，把用水和作物种植紧密联系起来。由于光伏泵是中午出水量最大，如中午不用水，势必采用蓄能装置将中午发的电储存起来，供早晚抽水用，这就必然加大投资、运行、维护费用。不能充分发挥光伏水泵的独特优点。 为此采用一种新的灌溉模式：一、改滴灌为渗灌，二、改早晚灌为日出而灌。渗灌相对于滴灌更节水。主要是避免了表层土壤吸水和大的蒸发，且地表不结壳，增加了透气性，一般可节水2030。这种灌溉模式从根本上避免了中午地表温度高、蒸发量大影响作物生长，从而改变了中午不能浇水这一传统模式。另外，渗灌是将系统管道埋入地下，减少系统管道胶质老化，渗灌系统比滴灌系统寿命一般长23 倍。由于种植第一年用水较多，为了更加经济
4、的进行种植，种植上考虑到采用先种植23，即采用交错式种植，这样既充分发挥光伏水泵供水能力，保证了种植树木充足的需水量，提高了树木成活率，又能更有效的利用了水资源。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，光伏水泵抽水的成本已经比柴油机水泵抽水的成本低。 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。新疆新能源公司在塔克拉玛干沙漠进行的光伏扬水生态环境试验
5、站也得到了相同的结论。 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，5 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。 在边远社区，采用太阳光伏系统供电提水设备解决这些无电地区的人畜饮水和灌溉问题，是最理想的方式之一。一方面，中国西部边远地区太阳能资源丰富；另一方面，光伏提水设备无污染、无噪声，可靠性高，维护工作量极小。据中国国家水利部有关专家试验测评，在中国光伏提水成本小于0.15元/t，比柴油机提水成本低一半左右。而其可靠性远超过风力提水。随着太阳电池价格的下降，光伏提水应用前景更加广阔。9.2光伏水泵的分类有储能元件控制
6、（逆变）型光伏水泵 控制（逆变）型光伏水泵 光伏水泵 无储能元件控制（逆变）型光伏水泵 有储能元件直流光伏水泵直流光伏水泵 无储能元件直流光伏水泵 图1光伏水泵的分类光伏水泵的分类为控制（逆变）型光伏水泵和直流光伏水泵两大类，如图1所示。逆变型光伏水泵主要应用在大中型系统中，直流光伏水泵主要应用在小型或家庭用水系统中。它的特点是效率高结构简单，在现代电力电子技术的支持下的无刷直流电动机使得直流太阳能光伏水泵的使用寿命可以达到数万小时。它的缺点是目前功率还不能够做的比较大，KW级以上的光伏水泵仍然是交流电动机驱动的图2 电动机效率比较目前广泛使用的是控制（逆变）型光伏水泵，它的特点是可以利用先成
7、的交流水泵，将太阳能光伏电池和交流水泵之间增加一个控制逆变器，这样的结果是交流水泵维修更换方便，易于普及。在图1中我们可以看到，所有的光伏水泵都分为有储能装置好无储能装两种形式，蓄电池是目前最理想的储能装置，它的作用通常并不是为了在太阳辐射条件不好的时候抽水，因为这时可以利用蓄水池里面的水，因为储存水远比储存电便宜得多，它的作用有两个，其一： 蓄电池可以提供电动机需要大的启动电流。其二：由于蓄电池的自动钳位作用，可以比较容易使得系统完成太阳电池的MPPT。使用蓄电池的缺点，也是相当可观的：1） 绝大多数的蓄电池需要定期保养维护。2） 必须稳定地保护蓄电池以防过度充电或过度放电。3） 使用寿命有
8、限。4） 价格高昂。5） 降低了系统的可靠性，有些系统必须要求有常高的可靠性。6） 蓄电池的充电、放电效率低。只有8 0%。9.3控制（逆变）型光伏水泵交流光伏水泵系统由部分组成：:太阳电池组件、最大功率点跟踪/控制（逆变）器、电机和水泵系统。 太阳电池组件太阳电池组件是直接把太阳能转换为直流形式的电能。太阳电池的伏安特性曲线具有强烈的非线性。太阳电池组件的伏安特性曲线具有和单体太阳电池同样的形状，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，即假设它们具有理想的一致性，则太阳电池组件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。 最大功率点
9、跟踪/控制（逆变）器太阳电池组件的输出伏安特性曲线具有强烈的非线性，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，而作为太阳电池组件负载的光伏水泵，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水泵系统工作在比较理想的工况，而且对于任何日照，都要发挥太阳电池组件输出功率的最大潜力，这就要有一个适配器，使电源和负载之间能达到和谐、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。.最大功率点跟踪器（MPPT）： 太阳电池组件在不同太阳辐照度下输出最大
10、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，即恒定电压式最大功率点跟踪器（CVT 式MPPT）和真正的MPPT。变频逆变器： 太阳电池组件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。 .最大功率点跟踪器（MPPT）： 太阳电池组件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，即恒定电压式最大功率点跟踪器（CVT 式M
11、PPT）和真正的MPPT。 变频逆变器： 太阳电池组件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，电动机将带动水泵扬水。由于直流电动机的造价一般较高，还需要定期维护或更换电刷，近年来，由于新型调速控制理论及新型功率电子器件问世和技术进步，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
12、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：（）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5V 或12V等控制电源，而太阳电池组件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，把太阳电池组件的直流电压变换为所需的直流电压，这就是开关电源。 主电路及其驱动电路：作为主电路的三相逆变电路的主
13、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，太阳电池方阵向电容充电，当逆变电路导通时，电容和太阳电池方阵一同为负载供电。 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、MCS-96 系列等发展过程，最近更推出了比较令人满意的8XC196 系列，其中包括专门用于电机调速的80C196MC 系列，它除了具有8XC196 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，在该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
14、故障状态； 检测主回路直流侧的电流、电压、计算出太阳电池方阵的输出功率，完成在变频调速过程中对太阳电池组件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。 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。， 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
15、，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池组件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，往往必须在兼顾太阳电池组件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：（）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5V 或12V等控制电源，而太阳电池组件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，把太阳电池组件的直流电压变换为所需的直流电压，这就是开关电源。 主电路及其驱动电路：作为主电路的三相逆变电路
