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1、太阳能水泵系统系统的可行性报告光伏水泵 光伏水泵亦称太阳能水泵，主要由光伏扬水逆变器和水泵组成。具体应用时，再根据不同扬程和日用水量的需求配以相应功率的太阳能电池阵列，统称为光伏扬水系统。近年来，随着全球“粮食问题”“能源问题”的严重性不断提升，逐步被誉为解决有效耕地提高产量和用清洁能源替代化石能源的最为有效的产业整合产品。成为把光伏产业与农业水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等传统产业综合发展的新兴经济模式。光伏水泵利用来自太阳的持久能源，日出而作，日落而歇，无需人员看管，不需要柴油、不需要电网，可与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本。是全球“
2、粮食问题”“能源问题”综合系统解决方案的新能源、新技术应用产品。 光伏水泵的种类 1、 太阳能光伏热水循环泵 光伏水泵的特点： 光伏水泵系统全自动运行，无需人工值守，系统主要由光伏扬水逆变器、光伏阵列、水泵组成。系统省却掉蓄电池之类的储能装置，以蓄水替代蓄电，直接驱动水泵扬水。光伏扬水逆变器对系统的运行实施控制和调节，实现最大功率点跟踪。当日照充足时保证系统额定运行，当日照不足时，设定最低运行频率满足，确保太阳能电池电力的充分应用。太阳电池阵列由多块太阳电池组件串并联而成，吸收日照辐射能量，将其转换为电能，为整个系统提供动力电源。 太阳能光伏电源具有的优势 （1） 可靠：光伏电源很少用到运动部
3、件，工作可靠。（2） 安全，无噪声，无其他公害。不产生任何的固体，液体和气体有害物质，绝对的 环保。 （3） 安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等优点。尤其以其可靠性高而备受关 注。（4） 兼容性好，光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要使光伏系统很方便的增容。（5） 标准化程度高，可由组件串并联满足不同用电的需要，通用性强。（6） 太阳能随处都有，应用范围广。 但是，光伏系统也有其缺点，比如：能量分散，间歇性大，地域性强。前期成本较高。交流水泵利用太阳能，在无需任何外来能源的情况下可以机动灵活地用于农田灌溉、提供洁净人畜饮水、发展庭院经济、美化园区、构造彩色喷泉、为养鱼、养虾池增
4、氧、海滨盐场供排水等。此外大量国际订货意向表明，这种高技术产品的国际市场前景令人十分鼓舞。交流水泵系统的应用不需要蓄电池，节省了电池更换的费用，减少了电池对环境造成的污染，作为一个刚刚崭露头角的产业，十分符合我国可持续发展的战略。产品特点：寿命长、功耗低、噪音小、调速平衡、运行可靠、无干扰等。太阳能水泵系统系统的设计思路1、设计流量 对于太阳热水系统，集热循环管路为闭合回路，则管道计算流量为循环流量，按下列公式计算： 式中：q循环流量，L/h; QS集热循环流量, 由于太阳辐照量的不确定性，联集管热水系统的集热循环流量无法准确计算，一般采用每平方米集热器的流量为0.01 0.02L/s， 即3
5、672L/(h ) 。 A太阳能集热器的总集热面积。 根据各地太阳辐照量的不同以及四季沐歌多年的工程设计经验，集热循环流量通常按下表选取。 2、集热循环所需水压 集热循环泵的扬程计算公式为： H=H1+H2+H3 式中，H建筑内给水系统所需水压，kPa； H1水泵吸水管起点至最不利配水点（集热循环系统中如若某一配水点的水压被满足则系统中其他任何用水点的压力也均能被满足，则该点称为系统中的最不利配水点。）位置高度所要求的静水压，kPa； H2水泵吸水管起点至最不利配水点的给水管路既计算管路的沿程与局部水头 损失之和，kPa ； H3最不利配水点所需要的流出水头kPa.。其中H3根据经验可取23m
6、。光伏水泵系统组成及工作原理系统组成及工作原理11 光伏水泵系统的结构图 由图1可知，系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。经过DCDC升压，和具有TMPPT功能的变频器后输出三相交流电压驱动交流异步电机和水泵负载，完成向水塔储水功能。其中主要包括4部分：太阳电池阵列；具有TMPPT功能的变频器；水泵负载；储水装置。 2 变频器主电路及硬件构成 本系统所采用的主电路及硬件控制框图如图2所示。主电路DCDC部分采用性能优越的推挽正激式电路进行升压；DCAC部分采用三相桥式逆变电路。主功率器件采用ASIPM(一体化智能功率模块)PS12036，系统控制核心由16位数字信号控制器dsPIC30
7、F2010构成。外围控制电路包括阵列母线电压检测和水位打干检测电路。系统首先通过初始设置的工作方式和PI参数工作，然后由MPPT子程序实时搜索出的电压值作为内环CVT的给定，通过PI调节得到工作频率值，计算出PWM信号的占空比，实现光伏阵列的真正最大功率跟踪(TMPPT)，并保持异步电机的Vf比为恒值。系统将MPPT和逆变器相结合，利用ASIPM模块自带的故障检测功能进行检测和保护，结构简单，控制方便。升压电路简述主电路选择 对于中小功率的光伏水泵来说，光伏阵列电压大都是低压(24v、36v、48V)，对于升压主电路的选择，人们一般选择推挽电路，因为推挽电路变压器原边工作电压就是直流侧输入电压
8、，同时驱动不需隔离，因此比较适合输入电压较低的场合。但是偏磁问题是制约其应用的一大不利因素，功率管的参数差异和变压器的绕制工艺都有可能使推挽电路工作在一种不稳定状态。基于诸多因素的考虑，本系统采用了结构新颖的推挽正激电路，此电路拓扑不仅克服了偏磁问题，而且闭环控制也比较容易(二阶系统)。推挽正激电路简单分析 推挽正激电路如图2所示，由功率管S1及S2，电容C8和变压器T组成，变压器T原边绕组N1及N2具有相同的匝数，同名端如图2所示。当S1及S2同时关断的时候，电容C8两端电压下正上负，且等于阵列电压，当S1开通，S1、N2和光伏阵列构成回路，N2上正下负，同时C8、N1和S1构成回路，C8放
9、电，N1下正上负，此时的工作相当于两个正激变换器的并联。同理，当S2开通S1关断时，也相当于两个正激变换器的并联。经过理论分析，推挽正激电路是一个二阶系统，因此闭环控制简单，同时输出滤波电感和电容大大减小。简单介绍 通过在16位单片机内巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F数字信号控制器(DSC)同时具有单片机(MCU)的控制功能以及数字信号处理器(DSP)的计算能力和数据吞吐能力。因为它具有的DSP功能，同时具有单片机的体积和价格，所以本系统采用此芯片作为控制器。此芯片主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适用于不间断电源(UPS)
10、、逆变器、开关电源和功率因数校正等。主要结构 12KB程序存储器； 512字节SRAM： 1024字节EEPROM； 3个16位定时器； 4个输入捕捉通道； 2个输出比较标准PWM通道； 6个电机控制PWM通道； 6个10位500kspsSAD转换器通道。 主要特点 AD采样速度快且多通道可以同时采样； 6个独立互补中心对齐边沿对齐的PWM： 2个可编程的死区 在噪声环境下5V电源可正常工作； 最低工作电压3V； AD采样和PWM同期同步。 光伏水泵最大功率点跟踪设计 常规恒定电压跟踪方式的特点与不足 CVT方式可以近似获得太阳电池的最大功率输出，软件上处理比较简单。但实际上日照强度和温度是时
11、刻变化的，尤其是在西部地区，同一天中的不同时段，温度和日照强度变化都相当大，这些都会引起太阳电池阵列最大功率点电压的偏移，其中尤以温度的变化影响最大。在这种情况下，采用CVT方式就不能很好地跟踪最大点。22 TMPPT的原理与实现 为克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟踪”控制，即保证系统不论在何种日照及温度条件下，始终使太阳电池工作在最大功率点处。由于逆变器采用恒Vf控制，故水泵电机的转速与其输入电压成正比，因此，调节逆变器的输出电压，就等于调节了负载电机的输出功率。故本系统采用TMPPT方式
12、使太阳电池尽可能工作在最大功率点处，为负载提供最大的能量。由太阳电池阵列的特性曲线 在最大功率点处，dPdv=O，在最大功率点的左侧，当dPdVO时，P呈增加趋势，dPdVO时，P呈减少趋势，dPd v0，则Z1为+1，Z2为+1，Z3为+l，Usp*指令电压继续增加。如dPdVO，则Z1为-l，Z2为-1，Z3为-1，Usp*指令电压开始减小。稳定工作时，系统在最大功率点附近摆动，如果摆动幅度越小，则精度越高。在具体工作时，为了防止搜索方向的误判断，软件中设置了搜索限幅值，使系统的工作可靠性进一步提高。由于本系统中采用的ASIPM模块带有电流检测功能，故在硬件设计上可以省去电流检测电路，节约
13、了成本，并进一步优化了外围电路。3 系统的保护功能设计 1)过流和短路保护功能 由于ASIPM的下臂IGBT母线上串有采样电阻，所以通过检测母线电流可以实现保护功能。当检测电流值超过给定值时，被认为过流或短路，此时下桥臂IGBT门电路被关断，同时输出故障信号，dsPIC检测到此信号时封锁PWM脉冲进一步保护后级电路。 2)欠压保护功能 ASIPM检测下桥臂的控制电源电压，如果电源电压连续低于给定电压1OMs，则下桥臂各相IGBT均被关断，同时输出故障信号，在故障期间，下桥臂三相IGBT的门极均不接受外来信号。 3)过热保护功能 ASIPM内置检测基板温度的热敏电阻，热敏电阻的阻值被直接输出，d
14、sPIC通过检测其阻值可以完成过热保护功能。 以上保护是利用了ASIPM自身带有的功能，无须外加电路，进一步简化了硬件电路设计。系统除了具有上述保护功能外，还具有光伏水泵系统特有的低频、日照低、打干(自动和手动打干)等保护功能。对于泵类负载，当转速低于下限值时，光伏阵列所提供的能量绝大部分都转化为损耗，长期低速运行，会引起发热并影响水泵使用寿命，因此，本系统设计了低频保护，对水泵来说，当液面低于水泵进水口时，水泵处于空载状态，若不采取措施，长时间运行则会损坏润滑轴承，而本系统为户外无人值守工作方式，故系统为了增加检测可靠性，采用了自动打干和手动打干两种识别方式，其中，自动打干是根据系统输出功率
15、和电机工作频率来进行判别；手动打干则是通过水位传感器识别当前水位高低来实现的。由于低频、日照低、打干等功能都是由软件来完成，不须增加硬件电路，故系统结构简单。太阳能水泵系统系统项目攻关策略光伏供水系统又称太阳能光电水泵系统，其基本原理是将太阳能转换成电能，驱动各类电动机带动水泵提水。它具有无噪声、全自动、高可靠等诸多优点，联合国国际开发署、世界银行、亚太经社会等国际组织先后充分肯定了它的先进性与合理性。光伏水泵大多由能量系统、控制系统、泵系统及连接管线构成。能量系统由太阳能电池板组件或配以蓄电池构成，控制系统分直流与交流输出两类分别包含MPPT（最大能量跟踪），水泵驱动控制，变频或逆变控制，泵系统主要由泵体与电机构成。市场评价太阳能水泵的主要参数 能量的利用率：太阳光照射太
