周程晟014409300676光伏水泵系统Word文档格式.docx

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光电水泵具有寿命长、安全可靠、使用方便、维护简单、无噪声、不污染环境等优点，从七十年代后期，国外许多生产厂家纷纷研制光电水泵。

目前世界上约有四十多家厂商提供该类产品，其系统效率、可靠性能也在不断提高；

功率范围从几十瓦到15千瓦，品种也在不断增加，西方一些发达国家的光电水泵已经系列化；

并大量销往到非洲、南美、中东和东南亚等地。

迄今已有数十万台光电水泵在世界各地可靠地运行。

随着太阳电池技术的迅速发展，光电水泵系统也将得到更广泛的应用。

本设计主要阐述了在许多干旱地区，由于缺乏水灌溉，土地逐渐形成盐碱地，甚至被沙漠侵蚀。

使得生态自然环境渐渐恶化，在我们这个人口多耕地少的国家里，仍有许多大片大片的荒地，仅是因为无水而未被开垦利用。

在诸多的水违纪地方，并不是没有水源，而是缺乏合适的抽水工具及动力。

世界上诸多的偏僻、边远、部落地区，至今未被电网覆盖并在今后若干年内也不可能铺设常规电网。

那么，使用常规的抽水工具也就遇到了很大的障碍，利用取之不尽，用之不竭的太阳光能作动力，以光电水泵为抽水工具是一种行之有效的并为人们越来越关注的好方法。

关键词系统构造系统安装性能测试

目录

绪言3

1.光伏水泵系统简介4

1.1直耦式5

1.2带有贮能装置的光伏水泵6

1.3不带贮能装置的光伏水泵系统7

2.光伏水泵系统各部分介绍8

2.1太阳电池阵列

8

2.2电机9

3.光伏水泵各部件建模及理想匹配10

4.光伏水泵的性能测试11

参考文献15

绪言

我国西藏大部，新疆南部、青海、和内蒙古西部干旱少雨，河流稀少，地表水缺乏。

地下水埋深10m以上，但储量较丰富，且这些地区的太阳能资源丰富，灌溉季节正是太阳峰值期，所以对利用太阳能进行提水灌溉非常有利，光伏抽水系统主要包括三部分：

光伏阵列，把太阳能转换为直流电；

马达或泵；

蓄水和分水系统，框图如下：

太阳能泵一般可用于需水量较大的场合，可分散设置或靠近用水地点设置，灌溉设备的参数选择取决于具体地点的太阳辐射、气温、水泵出力，机械技术方面的也界条件等。

下面以一个示范点为例将1KW太阳能泵抽水费用和同等规格的柴油机进行比较，示范点位于内蒙古达拉特旗，距包头26KM，属伊克昭盟，位于库布齐沙漠边缘，比较如下：

1、光电提水设备费如下：

1KW太阳电池2.5万元；

BOS系统2500元；

专用水泵800元；

附件500元；

安装费600元，年维护费150元；

在Ⅱ类太阳能源区，扬程20m，4~8月可抽水32000m3，太阳电池按20年折旧，其它设备按10年折旧，则每m3水成本0.055元。

2、柴油机提水费如下：

设备费1500元；

土建费3000元；

半年人员工资1000元；

年维护费610元；

每年4~8月提水40000m3，按8年折旧，不计燃料费，每m3水投资0.07元，每吨水燃料费0.16元，最后可算得每吨水成本0.23元。

现在我国“三北”地区，利用光伏滴灌系统浇灌农田等，有着重要的经济效益，具有广阔的前景。

1.光电水泵系统简介

从光伏水泵的结构形式分，可大致分成三类：

1.1直耦式：

图直耦式水泵系统

特点是：

①排除了电压调节器和蓄电池，结构最简

②系统可靠性和效率都很高

③操作简单，晨起暮闭自动实现，很适合发展中国家的偏远地区

④但适用范围窄

1.2带有贮能装置的光伏水泵：

图带有贮能的光伏水泵

主要特点是：

①可随时工作

②适用性广

③机泵产品标准化、产量大、价格低廉

1、不带贮能装置的光伏水泵系统

这是在第一种类的基础上，增加逆变器和最大功率点跟踪器而得到，驱动常规的交流电机水泵工作。

①适用性广

②机泵产品系列化，价格低廉

③但因增加了电子控制和D/A转换，效率有所降低

图带有功率点跟踪的光伏水泵

第二种分类方法是根据水泵的安装位置分类：

1、浅水式：

电机和水泵都安装在地面上。

便于维护修理，效率也较高。

缺点是吸程有限（离心式为7米），限制了它的使用。

2、飘浮式：

电机和水泵固定在飘浮物上，扬程不超过10米，但流量却可达200米3/天。

3、潜水式：

电机和水泵构成一体，沉于井、河等水下，可达较远扬程（10米～100米），流量也可达250米/天。

三种形式如图示：

图浅水式实物图图潜水式实物图

图飘浮式实物图

2.光伏水泵系统各部分介绍

2.1主要介绍动力部件：

太阳电池方阵、电机和水泵种类和性能

2.2.1太阳电池阵列

前面章节已经介绍过太阳电池及其组件，及由这些组件构成的方阵。

在此仅强调一点，就是方阵的I-V负载特性曲线，如图示。

方阵工作在A点，则输出功率为Pa=Ia﹡Va。

工作在M点输出功率最大：

Pm=Im﹡Vm。

M点为太阳电池阵列的最佳工作点。

应尽可能地使光伏水泵系统工作在最大功率点或其附近。

图太阳电池阵列I－V工作特性

2.2.3电机：

电机的种类繁多，可大致分成：

a.交流电机：

异步电动机和同步电动机

b.直流电机：

他励式电机、并励式电机和复励式电机

c.永磁无刷直流电动机

每种类电机都有各自的原理和工作特性，如对直流并励电动机其工作特性如图所示。

图直流并励电动机工作特性

A．速度特性：

由电压平衡方程可得：

则：

B．转矩特性：

T＝CTΦIa

T＝T2＋T0＝

3．水泵：

水泵的种类也很多，根据作用原理可将水泵分成三大类：

A．叶片式泵：

离心泵、轴流泵、混流泵和漩涡泵

B．容积泵：

往复泵和回转泵

C．其他类型泵：

喷射泵和电磁泵

下面典型选离心泵，介绍其工作原理及特性。

离心泵是靠叶轮的旋转使水受离心力的作用而得到压力和速度。

它的主要特点是结构简单、性能平稳、转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、易操作和维修，使用极广。

效率一般在60～90％范围。

离心泵的性能曲线如下图：

图离心式水泵的工作特性曲线

离心泵的性能曲线是液体在泵内运动规律的外部表现形式。

3.光伏水泵各部件建模及理想匹配

将光伏水泵各部件：

太阳电池阵列、水泵、电机进行理论分析可分别获得各部分的数学模型及相应的性能关系表达式。

根据这些性能分析进行各部件之间的最佳匹配，以期得到学的最高工作效率。

首先，我们看光伏阵列，输出功率P＝IV。

为获得最大功率，微商dp应为零，从而：

dp＝IdV＋VdI＝0

又对M个电池并联，N个电池串联的组件有

也可写成：

微分该方程用到IdV＝－VdI，得：

联立解得：

或

这里

为找到其解，可解两条曲线y＝xlnx和y＝（G1x+1）（G2-x）的交点，即为其解。

设初值为：

当解得x，即可得到最大功率点的I、V：

即

再看直流电机的模型，其基本方程：

这儿K是给定电机的常数，以他励永磁电机为例，磁通是常量，解得电流和电压为：

其次，分析离心水泵的模型：

机械负载特性一般可描述成

式中，x=0，恒定转矩；

x＝1，粘滞摩擦；

x＝2，恒定水头离心泵。

从而，离心泵的

简化又可写成：

式中

一般情况，H＝A1Q2＋2B1SQ＋C1S2，A1、B1、C1从泵的制造数据中可得到。

在给定水头H下，对每一旋转速度的值，可以确定电机的电流和电压：

根据电机－泵分系统的电流Ia、电压Va对应于恒定水头下的各个速度值的工作曲线和太阳电池阵列的I－V负载曲线，即可得到一个交点，此交点也即为工作点，为了使全系统工作在最佳匹配状态，可根据电机－泵分系统的Ia、Va曲线，获得对应的太阳电池阵列结构及设计，则就得到直耦式光伏水泵，也可采用最大功率点跟踪器调节两分系统的匹配，跟踪在最佳状态。

下面再谈一下理论效率的计算：

一旦知道工作速度，就可以计算给定水头的流速，然后可以得到两种配置系统的效率。

输出和输入功率是：

其中，R：

太阳辐射强度；

A：

太阳电池表面积（cm2）；

N：

电池串联数；

M：

电池并联数。

总效率是：

当从电机方程知道转矩时，可以得各部件的效率

泵：

电机：

4.光伏水泵的性能测试

研制和生产一种光伏水泵过程中，其性能测试是很重要的环节，实验及测试通常是在模拟或现场工作状态下进行，包括三个实验研究部分：

一、部件特性。

二、全泵系统特性。

三、补充实验。

如下列方框图所示：

如下图，给出室内和室外测试系统图：

图室内和室外测试系统图

下图给出若干测试结果图表及曲线:

参考文献

[1]曹仁贤，“光伏发电并网之研究”，《新能源》１９９７年１２月

[2]

程荣香，“光伏泵和滴灌系统的联合应用”，《新能源》，１９９７年１０月