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光伏水泵系統(tǒng)
引言
??? “光伏水泵系統(tǒng)”亦稱(chēng)“太陽(yáng)能光電水泵系統(tǒng)”，其基本原理是利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，然后驅(qū)動(dòng)各類(lèi)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵從深井、江、河、湖、塘等水源提水。它具有無(wú)噪聲、全自動(dòng)（日出而作，日落而停）、高可靠、供水量與蒸發(fā)量適配性好（“天大旱，它大干”）等許多優(yōu)點(diǎn)。聯(lián)合國(guó)國(guó)際開(kāi)發(fā)署（UNDP）、世界銀行（WB）、亞太經(jīng)社會(huì)（ESCAP）等國(guó)際組織部先后充分肯定了它的先進(jìn)性與合理性，目前在這些國(guó)際組織的支持下，全世界已有數(shù)萬(wàn)臺(tái)不同規(guī)格的光伏水泵在不同地區(qū)和國(guó)家運(yùn)行，特別是在亞、非、拉及中東等發(fā)展中國(guó)家，已為許多貧困地區(qū)的人民帶來(lái)相當(dāng)可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益，加速了這些地區(qū)的脫貧步伐。由于光伏水泵系統(tǒng)從技術(shù)上說(shuō)是一個(gè)比較典型的“光、機(jī)、電一體化”系統(tǒng)，它涉及太陽(yáng)能的采集、變換及電力電子、電機(jī)、水機(jī)、計(jì)算機(jī)控制等多個(gè)學(xué)科的最新技術(shù)，因此已被許多國(guó)家列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)和進(jìn)一步發(fā)展的方向，中東、非洲有不少?lài)?guó)家更是期望依藉太陽(yáng)能水泵及省水微灌、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)等新技術(shù)在地下水資源比較充裕的干旱地區(qū)把家園改造為綠洲。
????? 光伏水泵與柴油機(jī)水泵相比具有相當(dāng)良好的經(jīng)濟(jì)性。世界銀行在盛產(chǎn)石油的中東地區(qū)（如阿聯(lián)酋、約旦等國(guó)）作出了具有明確結(jié)論的經(jīng)濟(jì)性比較，就其每立方米的水價(jià)而言，光伏水泵的水價(jià)與柴油機(jī)水泵水價(jià)持平的系統(tǒng)功率約在40kW，由于近幾年太陽(yáng)電池及其它電子控制器件的降價(jià)，兩者水價(jià)持平的功率在75kw左右。如果太陽(yáng)電池的價(jià)格下降至3美元／wp，兩者水價(jià)持平的功率在150kW-200kW左右。德國(guó)西門(mén)子公司基于近年在世界各地安裝、試驗(yàn)、銷(xiāo)售各種規(guī)格光伏水泵經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出的結(jié)論是：柴油機(jī)水泵初期投“資低是其優(yōu)點(diǎn)，但隨著運(yùn)行年數(shù)的增加，其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用將不斷增加，每立方米水的成本將因此而逐年增長(zhǎng)。光伏水泵的初期投資偏大是其缺點(diǎn)，但此后由于它的運(yùn)行費(fèi)用低和少維護(hù)或免維護(hù)等特點(diǎn)，其水的成本上升很緩慢，十年以后，柴油機(jī)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(diǎn)約在三年左右。印度在現(xiàn)有4000臺(tái)光伏水泵的基礎(chǔ)上，政府給予一定補(bǔ)貼計(jì)劃再推廣安裝50000臺(tái)套光伏水泵系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的容量在1-5kW，之間。
1系統(tǒng)的基本構(gòu)成
????? 光伏水泵系統(tǒng)大致由四部分組成：光伏陣列，控制器、電機(jī)和水泵。
1．1光伏陣列
????? 光伏陣列由眾多的太陽(yáng)電池串、并聯(lián)構(gòu)成，其作用是直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流形式的電能。目前用于光伏水泵系統(tǒng)的太陽(yáng)電池多為硅太陽(yáng)電池，其中包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池的伏安特性曲線(xiàn)如圖：所示。它具有強(qiáng)烈的非線(xiàn)性。
????????????????????????????????????????????? 太陽(yáng)電池輸出的最大功率就是它的額定功率。圖：中曲線(xiàn)上的大圓黑點(diǎn)表示在相應(yīng)日射下太陽(yáng)電池輸
??? 出最大功率的位置，稱(chēng)“最大功率點(diǎn)".
??? 光伏陣列的伏王特性曲線(xiàn)具有和單體太陽(yáng)電他同樣的形狀，若忽略單體太陽(yáng)電池生產(chǎn)過(guò)程中的差異、組件相互之間的連接電阻，呂附設(shè)它”具有理想的一致性光伏陣列的伏安特性曲線(xiàn)可以看作僅是單體太陽(yáng)電池伏安特性曲線(xiàn)按串、并聯(lián)方式放大其坐標(biāo)的比例尺。
??? 1．2控制器
??? 光伏陣列的輸thtr乎特性曲線(xiàn)具有強(qiáng)那朔）線(xiàn)他而且和太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件有密切關(guān)系，其輸出隨日照而變化的是直流電量，而作為光伏陣列負(fù)載的光伏水泵，它的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有時(shí)是直流電機(jī)，有時(shí)是交流電機(jī)甚至還有其它新型電機(jī)，它們同樣具有非線(xiàn)性性質(zhì)。在這種情況下要使光伏泵系統(tǒng)工作在）、較理想的工況，而且叉，于任何日照，都要發(fā)揮光伏陣列輸出功率的最大潛力，這就要有一個(gè)適配器，使電肋負(fù)載之間能達(dá)至“和、皆、高效、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。適配器的內(nèi)容主要是最大功率“點(diǎn)跟蹤器、逆變器以及一些保護(hù)設(shè)施等。
??? 1．2．1 最大功率點(diǎn)跟蹤器（MPPT）
??? 由光伏陣列伏安特性曲線(xiàn)可知，光伏陣列在不同太陽(yáng)輻照度下輸出最大功率點(diǎn)位置并不固定，而且當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)于同一輻照度的最大功率“點(diǎn)位置也將變化。為了實(shí)現(xiàn)最大功率“點(diǎn)跟蹤以獲取當(dāng)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。?恒定電壓式最大功率點(diǎn)跟蹤器（CVT式MPPT）。
??? 仔細(xì)觀(guān)察圖：中表示最大功率輸出的圓黑點(diǎn)一一最大功率點(diǎn)的位置，它們都坐落在Umax=const，的直線(xiàn)附近，特別是日射比較強(qiáng)時(shí)離Umax=const更近，同時(shí)考慮至仗陽(yáng)電他具有以下溫度特優(yōu)良陷溫度升高時(shí)，在同一日射條件下其開(kāi)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(shí)一般都具有較高環(huán)境溫度，而日射低時(shí)環(huán)璋溫度一般都要低一些的特特點(diǎn)，結(jié)合太陽(yáng)電他的溫度特性，它們剛好都有利于使一日內(nèi)最大功率點(diǎn)的軌跡更逼近于一根垂直線(xiàn)Umax=const，這就是說(shuō)，在工程上允許人們把最大功率，點(diǎn)出現(xiàn)的軌跡近似地處理為一根垂直線(xiàn)Umax=const，這就構(gòu)成TcvT式MPPT的理論根據(jù)。
??? ?真正的MPPT
??? C“T型MPPT有其不足之處，主要是因?yàn)楣夥嚵械拈_(kāi)路電壓Uoc、最大功率點(diǎn)電壓U。受溫度的影響較大，Um一旦設(shè)定，冬、夏會(huì)有較大偏離，這將會(huì)無(wú)，胃地?fù)p失相當(dāng)一部分能量，因此人們?cè)诋?dāng)今微機(jī)芯片性能／價(jià)格）、以及其實(shí)時(shí)，勝能不斷提高的情況下，不少系統(tǒng)已在著手采用?！罢嬲腗PPT”技術(shù)。
??? 在“真正的MPPT”技術(shù)中，人們采用了自尋優(yōu)的概念，實(shí)時(shí)地測(cè)量光伏陣列的輸出功率，進(jìn)行比較后，自動(dòng)地尋找到最大功率點(diǎn)。不斷地尋找，不斷地調(diào)整，不斷地再尋找…，如此周而復(fù)始，系統(tǒng)一直處于微J、的調(diào)整之中。這種“真正的MPPT”可以自動(dòng)適應(yīng)冬、夏較大的溫差而毋需人工干預(yù)，十分有利于提高系統(tǒng)的全年效率。
1．2．2變頻逆變器
??? 光伏陣列通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤器以后的輸出是直流電壓，如果水泵所用驅(qū)動(dòng)電機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)然就可以在二者電壓值相適配的情況下直接連接，電動(dòng)機(jī)將帶動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)揚(yáng)水，例如美國(guó)Solarjack公司早年的安靜產(chǎn)品就是這樣。由于直流電動(dòng)機(jī)的造價(jià)一般較高，還需要定期維護(hù)或更換其電刷，近若干年來(lái)，由于新型調(diào)速控制理論及功率電子器件、技術(shù)的進(jìn)步，使交流調(diào)速技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，其效率已逐步趕上直流電動(dòng)機(jī)，而其使用的方便性和牢固性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直流電動(dòng)機(jī)，因此有刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式漸呈被淘汰之勢(shì)，而取而代之的主要是高效率的三相異步電動(dòng)機(jī)及直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，也偶有采用永磁同步電動(dòng)機(jī)或磁阻電動(dòng)機(jī)的。后幾種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)都要靠專(zhuān)用的變頻裝置或相應(yīng)的電力電子驅(qū)動(dòng)電路。：這里以三相異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)為例說(shuō)明其驅(qū)動(dòng)的基本原理。
??? 交流驅(qū)動(dòng)常分為方波驅(qū)動(dòng)（含階梯波驅(qū)動(dòng)）及正弦波驅(qū)動(dòng)兩大類(lèi)。一般說(shuō)功率較小的光伏水泵系統(tǒng)（300W以下），采用方波驅(qū)動(dòng)的為多，功率較大時(shí)為限制其諧波損耗，常采用正弦波驅(qū)動(dòng)。不論采用何種驅(qū)動(dòng)，其基本電路結(jié)構(gòu)都可分為以下四部分，即：
??? （1）開(kāi)關(guān)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(yáng)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(gè)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(kāi)關(guān)電源。
??? （2）主電路及其驅(qū)動(dòng)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(gòu)成了全橋式逆變電路，大容量的電解電容作為儲(chǔ)能元件直接跨接在直流側(cè)兩端，當(dāng)逆變電路關(guān)斷時(shí)，太陽(yáng)電池陣列向電容充電，當(dāng)逆變電路導(dǎo)通時(shí)，電容和太陽(yáng)電池陣列一同為負(fù)載供電。
??? 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與制作應(yīng)精心進(jìn)行，在使用功率MOsFET時(shí)要可靠地使柵極驅(qū)動(dòng)電路具有良好的性能。
??? （3）控制電路
????? 目前許多光伏水泵的控制電路已經(jīng)采用先進(jìn)的單片微機(jī)技術(shù)，經(jīng)過(guò)了MsC-51系列、MCS96系列等發(fā)展過(guò)程，最近更推出了比較令人滿(mǎn)意的8XCI96系列，其中包括專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)調(diào)速的80C196MC系列，它除了具有196系列的許多共有特點(diǎn)外，還具有特別適合于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，在本系統(tǒng)中主要完成以下功能。
????? ?完成系統(tǒng)要求的過(guò)流、欠壓、低速、打干保護(hù)等保護(hù)功能，顯示故障狀態(tài)；
????? ?檢測(cè)主回路直流側(cè)的電流、電壓、計(jì)算出太陽(yáng)電池陣列的輸出功率，完成在變頻調(diào)速過(guò)程中對(duì)陣列輸出最大功率點(diǎn)的跟蹤；
????? ?按磁鏈追蹤或其它相應(yīng)的變頻調(diào)速原理，發(fā)送SPWM信號(hào)。
????? （4）保護(hù)電路
??? 出于對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行的考慮，需要設(shè)置諸如過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)負(fù)荷、過(guò)低負(fù)荷、欠電壓、井水打干、停機(jī)后在各種條件下的自啟動(dòng)……許多保護(hù)環(huán)節(jié)，要根據(jù)所選用的控制器件、控制電路因地制宜地把它們?cè)O(shè)置到電路中去。由于光伏水泵在絕大多數(shù)情況下都是“日出而作，日落而停”、全自動(dòng)地工作的，因此必須采用十分可靠的保護(hù)措施。
1．3電機(jī)和水泵
??? 光伏水泵系統(tǒng)的一切措施都是為了能穩(wěn)定、可靠地多出水，或者說(shuō)最后都要落實(shí)在電機(jī)、水泵的工作上，它們往往構(gòu)成一個(gè)總成件，這個(gè)總成件要求有最大限度的可靠性及高效率。對(duì)于光伏水泵而言，電機(jī)和水泵的搭配并不象常見(jiàn)的電機(jī)和水泵搭配那樣“隨便”，由于電機(jī)的功率等級(jí)、電壓等級(jí)在很大程度上受到太陽(yáng)電他陣列的電壓等級(jí)和功率等級(jí)的制約，因此對(duì)水泵揚(yáng)程、流量的要求被反映到電機(jī)上時(shí)，往往必須在兼顧陣列結(jié)構(gòu)的條件下專(zhuān)門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)。出于不同用戶(hù)的不同要求，光伏水泵用驅(qū)動(dòng)電機(jī)有：不同電壓等級(jí)的傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)，直流無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)，磁阻電動(dòng)機(jī)等。從目前的使用情況看，以三相異步電動(dòng)機(jī)及直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為最多，大功率系統(tǒng)仍以采用高效三相異步電動(dòng)機(jī)為主。在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到光伏水泵的具體運(yùn)行條件，主要是：變頻運(yùn)行、負(fù)載率早晚變化較大等。在這種情況下要力爭(zhēng)使電動(dòng)機(jī)全日、全年的總平均效率為最高，它不象普通電動(dòng)機(jī)那樣可以認(rèn)為它是一直處于具有恒定電壓的電源帶動(dòng)下工作的。
光伏水泵系統(tǒng)中水泵的選擇與設(shè)計(jì)也甚有特點(diǎn)。根據(jù)用戶(hù)對(duì)流量、揚(yáng)程的不同要求，按經(jīng)濟(jì)性、可靠性大致可按以下原則選擇泵型：
????? 要求流量小、揚(yáng)程高的用戶(hù)，宜選用容積式水泵；要求流量較大，且揚(yáng)程也較高的用戶(hù)，宜選用潛水式電泵；需要流量較大，但揚(yáng)程卻較低的用戶(hù)，一般宜采用自吸式水泵。
2。光伏水泵系統(tǒng)的效率及特性
?
????? 上式中：ηarray——光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率，ηinvert——具有MPPT功能的變頻逆變器效率，ηmotor——驅(qū)動(dòng)的效率，ηpump——水泵效率，ηcoup——電機(jī)、水泵的機(jī)械耦合傳動(dòng)效率。
????? 系統(tǒng)效率ηsys可以是瞬時(shí)系統(tǒng)效率，也可以是小時(shí)平均系統(tǒng)效率，日平均系數(shù)效率，月平均系統(tǒng)效率，季度平均系統(tǒng)效率，年度平均系統(tǒng)效率等。計(jì)算這些效率時(shí)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(shí)、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(shí)平均效率的算術(shù)平均值，或把月平均效率看成是一月內(nèi)各天日平均效率的平均值。
????? 商品化光伏水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，其一般在1％-6％的范圍內(nèi)不等。產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，更由于系統(tǒng)效率中包含了太陽(yáng)電池的效率，僅根據(jù)系統(tǒng)效率難以判斷逆變器、機(jī)泵總成件等主要部件的效率情況，因此市場(chǎng)上通常把太陽(yáng)電池的效率排除在外，給出一個(gè)“機(jī)泵系統(tǒng)效率”，這里“系統(tǒng)”二字的含意是已把MPPT、變頻逆變器的效率考慮在內(nèi)。從目前世界市場(chǎng)的產(chǎn)品情況看，機(jī)泵系統(tǒng)效率相差很大，高的可達(dá)60％左右，低的僅10％左右。當(dāng)然，功率等級(jí)不同、泵型及電動(dòng)機(jī)類(lèi)型不同都會(huì)有不同的效率范圍，在保證其可靠性的前提下要認(rèn)真推敲其一定年限內(nèi)的性能／價(jià)格比。
????? 光伏水泵系統(tǒng)的日揚(yáng)水量受天氣（主要是日照）的影響很大，很難給出具體結(jié)果，只能根據(jù)某一具體時(shí)日的具體日照分布給出相應(yīng)的系統(tǒng)工作狀況。
????? 如某一光伏水泵系統(tǒng)，其開(kāi)始揚(yáng)水（相應(yīng)于揚(yáng)程為某一定值時(shí)）的太陽(yáng)輻照度約是420w／m2（時(shí)間大概是早上7：50），人們稱(chēng)該“420W／m2”為該系統(tǒng)在揚(yáng)程等于該一定值下的“揚(yáng)水閾值”。揚(yáng)水閾值是衡量一個(gè)光伏水泵系統(tǒng)工作狀況的重要指標(biāo)，它既取決于光伏水泵系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣，也取決于配用太陽(yáng)電池陣列容量的大小，同一系統(tǒng)在相同的陣列容量及揚(yáng)程下，閾值愈小愈好，這意味著水泵早打水，多打水。
????? 為了進(jìn)一步發(fā)展、改進(jìn)光伏水泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)，我國(guó)已經(jīng)推出了相應(yīng)的系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)CAD及優(yōu)化配置等軟件包。
引言
??? “光伏水泵系統(tǒng)”亦稱(chēng)“太陽(yáng)能光電水泵系統(tǒng)”，其基本原理是利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，然后驅(qū)動(dòng)各類(lèi)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵從深井、江、河、湖、塘等水源提水。它具有無(wú)噪聲、全自動(dòng)（日出而作，日落而停）、高可靠、供水量與蒸發(fā)量適配性好（“天大旱，它大干”）等許多優(yōu)點(diǎn)。聯(lián)合國(guó)國(guó)際開(kāi)發(fā)署（UNDP）、世界銀行（WB）、亞太經(jīng)社會(huì)（ESCAP）等國(guó)際組織部先后充分肯定了它的先進(jìn)性與合理性，目前在這些國(guó)際組織的支持下，全世界已有數(shù)萬(wàn)臺(tái)不同規(guī)格的光伏水泵在不同地區(qū)和國(guó)家運(yùn)行，特別是在亞、非、拉及中東等發(fā)展中國(guó)家，已為許多貧困地區(qū)的人民帶來(lái)相當(dāng)可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益，加速了這些地區(qū)的脫貧步伐。由于光伏水泵系統(tǒng)從技術(shù)上說(shuō)是一個(gè)比較典型的“光、機(jī)、電一體化”系統(tǒng)，它涉及太陽(yáng)能的采集、變換及電力電子、電機(jī)、水機(jī)、計(jì)算機(jī)控制等多個(gè)學(xué)科的最新技術(shù)，因此已被許多國(guó)家列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)和進(jìn)一步發(fā)展的方向，中東、非洲有不少?lài)?guó)家更是期望依藉太陽(yáng)能水泵及省水微灌、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)等新技術(shù)在地下水資源比較充裕的干旱地區(qū)把家園改造為綠洲。
????? 光伏水泵與柴油機(jī)水泵相比具有相當(dāng)良好的經(jīng)濟(jì)性。世界銀行在盛產(chǎn)石油的中東地區(qū)（如阿聯(lián)酋、約旦等國(guó)）作出了具有明確結(jié)論的經(jīng)濟(jì)性比較，就其每立方米的水價(jià)而言，光伏水泵的水價(jià)與柴油機(jī)水泵水價(jià)持平的系統(tǒng)功率約在40kW，由于近幾年太陽(yáng)電池及其它電子控制器件的降價(jià)，兩者水價(jià)持平的功率在75kw左右。如果太陽(yáng)電池的價(jià)格下降至3美元／wp，兩者水價(jià)持平的功率在150kW-200kW左右。德國(guó)西門(mén)子公司基于近年在世界各地安裝、試驗(yàn)、銷(xiāo)售各種規(guī)格光伏水泵經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出的結(jié)論是：柴油機(jī)水泵初期投“資低是其優(yōu)點(diǎn)，但隨著運(yùn)行年數(shù)的增加，其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用將不斷增加，每立方米水的成本將因此而逐年增長(zhǎng)。光伏水泵的初期投資偏大是其缺點(diǎn)，但此后由于它的運(yùn)行費(fèi)用低和少維護(hù)或免維護(hù)等特點(diǎn)，其水的成本上升很緩慢，十年以后，柴油機(jī)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(diǎn)約在三年左右。印度在現(xiàn)有4000臺(tái)光伏水泵的基礎(chǔ)上，政府給予一定補(bǔ)貼計(jì)劃再推廣安裝50000臺(tái)套光伏水泵系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的容量在1-5kW，之間。
1系統(tǒng)的基本構(gòu)成
????? 光伏水泵系統(tǒng)大致由四部分組成：光伏陣列，控制器、電機(jī)和水泵。
1．1光伏陣列
????? 光伏陣列由眾多的太陽(yáng)電池串、并聯(lián)構(gòu)成，其作用是直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流形式的電能。目前用于光伏水泵系統(tǒng)的太陽(yáng)電池多為硅太陽(yáng)電池，其中包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽(yáng)電池。太陽(yáng)電池的伏安特性曲線(xiàn)如圖：所示。它具有強(qiáng)烈的非線(xiàn)性。
????????????????????????????????????????????? 太陽(yáng)電池輸出的最大功率就是它的額定功率。圖：中曲線(xiàn)上的大圓黑點(diǎn)表示在相應(yīng)日射下太陽(yáng)電池輸
??? 出最大功率的位置，稱(chēng)“最大功率點(diǎn)".
??? 光伏陣列的伏王特性曲線(xiàn)具有和單體太陽(yáng)電他同樣的形狀，若忽略單體太陽(yáng)電池生產(chǎn)過(guò)程中的差異、組件相互之間的連接電阻，呂附設(shè)它”具有理想的一致性光伏陣列的伏安特性曲線(xiàn)可以看作僅是單體太陽(yáng)電池伏安特性曲線(xiàn)按串、并聯(lián)方式放大其坐標(biāo)的比例尺。
??? 1．2控制器
??? 光伏陣列的輸thtr乎特性曲線(xiàn)具有強(qiáng)那朔）線(xiàn)他而且和太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件有密切關(guān)系，其輸出隨日照而變化的是直流電量，而作為光伏陣列負(fù)載的光伏水泵，它的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有時(shí)是直流電機(jī)，有時(shí)是交流電機(jī)甚至還有其它新型電機(jī)，它們同樣具有非線(xiàn)性性質(zhì)。在這種情況下要使光伏泵系統(tǒng)工作在）、較理想的工況，而且叉，于任何日照，都要發(fā)揮光伏陣列輸出功率的最大潛力，這就要有一個(gè)適配器，使電肋負(fù)載之間能達(dá)至“和、皆、高效、穩(wěn)定的工作狀態(tài)。適配器的內(nèi)容主要是最大功率“點(diǎn)跟蹤器、逆變器以及一些保護(hù)設(shè)施等。
??? 1．2．1 最大功率點(diǎn)跟蹤器（MPPT）
??? 由光伏陣列伏安特性曲線(xiàn)可知，光伏陣列在不同太陽(yáng)輻照度下輸出最大功率點(diǎn)位置并不固定，而且當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)于同一輻照度的最大功率“點(diǎn)位置也將變化。為了實(shí)現(xiàn)最大功率“點(diǎn)跟蹤以獲取當(dāng)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。?恒定電壓式最大功率點(diǎn)跟蹤器（CVT式MPPT）。
??? 仔細(xì)觀(guān)察圖：中表示最大功率輸出的圓黑點(diǎn)一一最大功率點(diǎn)的位置，它們都坐落在Umax=const，的直線(xiàn)附近，特別是日射比較強(qiáng)時(shí)離Umax=const更近，同時(shí)考慮至仗陽(yáng)電他具有以下溫度特優(yōu)良陷溫度升高時(shí)，在同一日射條件下其開(kāi)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(shí)一般都具有較高環(huán)境溫度，而日射低時(shí)環(huán)璋溫度一般都要低一些的特特點(diǎn)，結(jié)合太陽(yáng)電他的溫度特性，它們剛好都有利于使一日內(nèi)最大功率點(diǎn)的軌跡更逼近于一根垂直線(xiàn)Umax=const，這就是說(shuō)，在工程上允許人們把最大功率，點(diǎn)出現(xiàn)的軌跡近似地處理為一根垂直線(xiàn)Umax=const，這就構(gòu)成TcvT式MPPT的理論根據(jù)。
??? ?真正的MPPT
??? C“T型MPPT有其不足之處，主要是因?yàn)楣夥嚵械拈_(kāi)路電壓Uoc、最大功率點(diǎn)電壓U。受溫度的影響較大，Um一旦設(shè)定，冬、夏會(huì)有較大偏離，這將會(huì)無(wú)，胃地?fù)p失相當(dāng)一部分能量，因此人們?cè)诋?dāng)今微機(jī)芯片性能／價(jià)格）、以及其實(shí)時(shí)，勝能不斷提高的情況下，不少系統(tǒng)已在著手采用?！罢嬲腗PPT”技術(shù)。
??? 在“真正的MPPT”技術(shù)中，人們采用了自尋優(yōu)的概念，實(shí)時(shí)地測(cè)量光伏陣列的輸出功率，進(jìn)行比較后，自動(dòng)地尋找到最大功率點(diǎn)。不斷地尋找，不斷地調(diào)整，不斷地再尋找…，如此周而復(fù)始，系統(tǒng)一直處于微J、的調(diào)整之中。這種“真正的MPPT”可以自動(dòng)適應(yīng)冬、夏較大的溫差而毋需人工干預(yù)，十分有利于提高系統(tǒng)的全年效率。
1．2．2變頻逆變器
??? 光伏陣列通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤器以后的輸出是直流電壓，如果水泵所用驅(qū)動(dòng)電機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)，當(dāng)然就可以在二者電壓值相適配的情況下直接連接，電動(dòng)機(jī)將帶動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)揚(yáng)水，例如美國(guó)Solarjack公司早年的安靜產(chǎn)品就是這樣。由于直流電動(dòng)機(jī)的造價(jià)一般較高，還需要定期維護(hù)或更換其電刷，近若干年來(lái)，由于新型調(diào)速控制理論及功率電子器件、技術(shù)的進(jìn)步，使交流調(diào)速技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，其效率已逐步趕上直流電動(dòng)機(jī)，而其使用的方便性和牢固性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)直流電動(dòng)機(jī)，因此有刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式漸呈被淘汰之勢(shì)，而取而代之的主要是高效率的三相異步電動(dòng)機(jī)及直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，也偶有采用永磁同步電動(dòng)機(jī)或磁阻電動(dòng)機(jī)的。后幾種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)都要靠專(zhuān)用的變頻裝置或相應(yīng)的電力電子驅(qū)動(dòng)電路。：這里以三相異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)為例說(shuō)明其驅(qū)動(dòng)的基本原理。
??? 交流驅(qū)動(dòng)常分為方波驅(qū)動(dòng)（含階梯波驅(qū)動(dòng)）及正弦波驅(qū)動(dòng)兩大類(lèi)。一般說(shuō)功率較小的光伏水泵系統(tǒng)（300W以下），采用方波驅(qū)動(dòng)的為多，功率較大時(shí)為限制其諧波損耗，常采用正弦波驅(qū)動(dòng)。不論采用何種驅(qū)動(dòng)，其基本電路結(jié)構(gòu)都可分為以下四部分，即：
??? （1）開(kāi)關(guān)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(yáng)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(gè)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(kāi)關(guān)電源。
??? （2）主電路及其驅(qū)動(dòng)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(gòu)成了全橋式逆變電路，大容量的電解電容作為儲(chǔ)能元件直接跨接在直流側(cè)兩端，當(dāng)逆變電路關(guān)斷時(shí)，太陽(yáng)電池陣列向電容充電，當(dāng)逆變電路導(dǎo)通時(shí)，電容和太陽(yáng)電池陣列一同為負(fù)載供電。
??? 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與制作應(yīng)精心進(jìn)行，在使用功率MOsFET時(shí)要可靠地使柵極驅(qū)動(dòng)電路具有良好的性能。
??? （3）控制電路
????? 目前許多光伏水泵的控制電路已經(jīng)采用先進(jìn)的單片微機(jī)技術(shù)，經(jīng)過(guò)了MsC-51系列、MCS96系列等發(fā)展過(guò)程，最近更推出了比較令人滿(mǎn)意的8XCI96系列，其中包括專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)調(diào)速的80C196MC系列，它除了具有196系列的許多共有特點(diǎn)外，還具有特別適合于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)匯編語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，在本系統(tǒng)中主要完成以下功能。
????? ?完成系統(tǒng)要求的過(guò)流、欠壓、低速、打干保護(hù)等保護(hù)功能，顯示故障狀態(tài)；
????? ?檢測(cè)主回路直流側(cè)的電流、電壓、計(jì)算出太陽(yáng)電池陣列的輸出功率，完成在變頻調(diào)速過(guò)程中對(duì)陣列輸出最大功率點(diǎn)的跟蹤；
????? ?按磁鏈追蹤或其它相應(yīng)的變頻調(diào)速原理，發(fā)送SPWM信號(hào)。
????? （4）保護(hù)電路
??? 出于對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行的考慮，需要設(shè)置諸如過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)負(fù)荷、過(guò)低負(fù)荷、欠電壓、井水打干、停機(jī)后在各種條件下的自啟動(dòng)……許多保護(hù)環(huán)節(jié)，要根據(jù)所選用的控制器件、控制電路因地制宜地把它們?cè)O(shè)置到電路中去。由于光伏水泵在絕大多數(shù)情況下都是“日出而作，日落而停”、全自動(dòng)地工作的，因此必須采用十分可靠的保護(hù)措施。
1．3電機(jī)和水泵
??? 光伏水泵系統(tǒng)的一切措施都是為了能穩(wěn)定、可靠地多出水，或者說(shuō)最后都要落實(shí)在電機(jī)、水泵的工作上，它們往往構(gòu)成一個(gè)總成件，這個(gè)總成件要求有最大限度的可靠性及高效率。對(duì)于光伏水泵而言，電機(jī)和水泵的搭配并不象常見(jiàn)的電機(jī)和水泵搭配那樣“隨便”，由于電機(jī)的功率等級(jí)、電壓等級(jí)在很大程度上受到太陽(yáng)電他陣列的電壓等級(jí)和功率等級(jí)的制約，因此對(duì)水泵揚(yáng)程、流量的要求被反映到電機(jī)上時(shí)，往往必須在兼顧陣列結(jié)構(gòu)的條件下專(zhuān)門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)。出于不同用戶(hù)的不同要求，光伏水泵用驅(qū)動(dòng)電機(jī)有：不同電壓等級(jí)的傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)，直流無(wú)刷永磁電動(dòng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)，磁阻電動(dòng)機(jī)等。從目前的使用情況看，以三相異步電動(dòng)機(jī)及直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為最多，大功率系統(tǒng)仍以采用高效三相異步電動(dòng)機(jī)為主。在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到光伏水泵的具體運(yùn)行條件，主要是：變頻運(yùn)行、負(fù)載率早晚變化較大等。在這種情況下要力爭(zhēng)使電動(dòng)機(jī)全日、全年的總平均效率為最高，它不象普通電動(dòng)機(jī)那樣可以認(rèn)為它是一直處于具有恒定電壓的電源帶動(dòng)下工作的。
光伏水泵系統(tǒng)中水泵的選擇與設(shè)計(jì)也甚有特點(diǎn)。根據(jù)用戶(hù)對(duì)流量、揚(yáng)程的不同要求，按經(jīng)濟(jì)性、可靠性大致可按以下原則選擇泵型：
????? 要求流量小、揚(yáng)程高的用戶(hù)，宜選用容積式水泵；要求流量較大，且揚(yáng)程也較高的用戶(hù)，宜選用潛水式電泵；需要流量較大，但揚(yáng)程卻較低的用戶(hù)，一般宜采用自吸式水泵。
2。光伏水泵系統(tǒng)的效率及特性
?
????? 上式中：ηarray——光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率，ηinvert——具有MPPT功能的變頻逆變器效率，ηmotor——驅(qū)動(dòng)的效率，ηpump——水泵效率，ηcoup——電機(jī)、水泵的機(jī)械耦合傳動(dòng)效率。
????? 系統(tǒng)效率ηsys可以是瞬時(shí)系統(tǒng)效率，也可以是小時(shí)平均系統(tǒng)效率，日平均系數(shù)效率，月平均系統(tǒng)效率，季度平均系統(tǒng)效率，年度平均系統(tǒng)效率等。計(jì)算這些效率時(shí)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(shí)、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(shí)平均效率的算術(shù)平均值，或把月平均效率看成是一月內(nèi)各天日平均效率的平均值。
????? 商品化光伏水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率，其一般在1％-6％的范圍內(nèi)不等。產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，更由于系統(tǒng)效率中包含了太陽(yáng)電池的效率，僅根據(jù)系統(tǒng)效率難以判斷逆變器、機(jī)泵總成件等主要部件的效率情況，因此市場(chǎng)上通常把太陽(yáng)電池的效率排除在外，給出一個(gè)“機(jī)泵系統(tǒng)效率”，這里“系統(tǒng)”二字的含意是已把MPPT、變頻逆變器的效率考慮在內(nèi)。從目前世界市場(chǎng)的產(chǎn)品情況看，機(jī)泵系統(tǒng)效率相差很大，高的可達(dá)60％左右，低的僅10％左右。當(dāng)然，功率等級(jí)不同、泵型及電動(dòng)機(jī)類(lèi)型不同都會(huì)有不同的效率范圍，在保證其可靠性的前提下要認(rèn)真推敲其一定年限內(nèi)的性能／價(jià)格比。
????? 光伏水泵系統(tǒng)的日揚(yáng)水量受天氣（主要是日照）的影響很大，很難給出具體結(jié)果，只能根據(jù)某一具體時(shí)日的具體日照分布給出相應(yīng)的系統(tǒng)工作狀況。
????? 如某一光伏水泵系統(tǒng)，其開(kāi)始揚(yáng)水（相應(yīng)于揚(yáng)程為某一定值時(shí)）的太陽(yáng)輻照度約是420w／m2（時(shí)間大概是早上7：50），人們稱(chēng)該“420W／m2”為該系統(tǒng)在揚(yáng)程等于該一定值下的“揚(yáng)水閾值”。揚(yáng)水閾值是衡量一個(gè)光伏水泵系統(tǒng)工作狀況的重要指標(biāo)，它既取決于光伏水泵系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣，也取決于配用太陽(yáng)電池陣列容量的大小，同一系統(tǒng)在相同的陣列容量及揚(yáng)程下，閾值愈小愈好，這意味著水泵早打水，多打水。
????? 為了進(jìn)一步發(fā)展、改進(jìn)光伏水泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)，我國(guó)已經(jīng)推出了相應(yīng)的系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)CAD及優(yōu)化配置等軟件包。
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