王文儀 劉祖明 朱勛夢 李杰慧 趙義芬 李光明 侯立宏

(1.云南師范大學(xué)太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.云南卓業(yè)能源有限公司；3.昆明冶研新材料股份有限公司)

一 引言

太陽能水泵是利用太陽電池供電，帶動(dòng)水泵從水源提水的設(shè)備，具有噪聲低、無污染、簡單、經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于光伏水泵系統(tǒng)的研究，國外起步得較早，早在20世紀(jì)70年代后期就開始進(jìn)行研究[1]，分析了光伏水泵系統(tǒng)的性能[2,3]，探討了光伏電池板、直流電機(jī)和水泵的直接耦合，但效率較低。Odeh I 等[4]研究了光伏水泵的提水高度、太陽輻射強(qiáng)度及電池陣列尺寸大小對(duì)系統(tǒng)的影響，以求得到系統(tǒng)的最佳匹配；何慧若等[5]分析了影響光伏水泵系統(tǒng)負(fù)載配置最優(yōu)選擇的要素，得出以每峰瓦太陽電池水能當(dāng)量值最大為目標(biāo)的光伏水泵系統(tǒng)負(fù)載配置的最優(yōu)解。Pande P C等[6]設(shè)計(jì)開發(fā)了太陽能光伏水泵，通過滴流為果園灌溉，增加果樹產(chǎn)量。余世杰等[7]對(duì)光伏水泵系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益與柴油機(jī)水泵做了比較分析，結(jié)果表明光伏水泵具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，其免維護(hù)較柴油機(jī)更顯示出優(yōu)越性。程榮香等[8]通過對(duì)光伏提水進(jìn)行農(nóng)作物微灌試驗(yàn)示范的介紹，給出了干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)作物需水量和滴灌系統(tǒng)需能量的計(jì)算方法，分析了利用光伏提水微灌技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，計(jì)算表明，光伏提水微灌的單位提水成本為0.073元/m3，僅為柴油機(jī)提水成本的1/3，顯示出光伏水泵的優(yōu)勢。近年來，云南省一些地區(qū)進(jìn)行了多項(xiàng)光伏水泵取水示范工程，運(yùn)行良好，用戶反應(yīng)也較好。

本文在原有研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同揚(yáng)程的小型太陽能直流水泵進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，得出了不同揚(yáng)程的小型太陽能直流水泵的適用范圍，既能解決陽光充足、偏遠(yuǎn)無電力地區(qū)供應(yīng)抽水問題，又能擴(kuò)大太陽能水泵的使用范圍。該裝置重量輕、易拆裝、攜帶方便、可就地安裝就地使用，光伏組件的傾角和方位角度可方便調(diào)整，使太陽電池輸出達(dá)到最大，且系統(tǒng)在安裝使用時(shí)可不使用跟蹤器，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

二 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安裝

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)能方便地調(diào)整太陽電池組件的最佳傾角，使太陽電池的輸出功率達(dá)到最大，而無需采用跟蹤器。該系統(tǒng)主要部件為太陽電池組件(功率分別為40W及80W)，此外還包括支桿、底部有帶刻度的1/4圓弧(與水平尺能準(zhǔn)確讀出α的大小，可在0～90?之間變化）、水平尺(始終處在水平面上，與電池板形成α角)、螺釘(固定支桿、水平尺)；微型直流水泵(功率分別為16W和45W)以及進(jìn)水端、出水端(圖1)。對(duì)于不同功率的水泵，之所以配備水泵功率兩倍左右的光伏組件，主要是考慮水泵能在較低的太陽輻射下就開始工作，如一般正午時(shí)太陽輻照度接近1kW/m2，這樣在400W/m2左右的實(shí)際輻照度下水泵就可以工作，水泵在昆明晴天的工作時(shí)間約為8h。

2 安裝

實(shí)驗(yàn)前需對(duì)太陽電池組件進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖1所示。安裝時(shí)，首先計(jì)算或查出當(dāng)?shù)靥栯姵亟M件的最佳安裝角，通過調(diào)節(jié)支桿及水平尺，使α角與最佳傾角一致；組件輸出端與水泵的輸入端正確連接(實(shí)驗(yàn)前把水泵灌滿水再接上水管，避免空氣阻力影響水泵的流量及提水高度)。

三 系統(tǒng)測試及分析

1 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)對(duì)配置好的不同揚(yáng)程太陽電池光伏水泵進(jìn)行實(shí)際測試研究。33?傾角朝正南方向，在不同的提水高度處，均提起一桶水(合14.5L)。在保持組件輸出功率一定的條件下，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別做出提水高度與時(shí)間及輻照度與時(shí)間的關(guān)系，為今后光伏水泵的工作提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同水泵提水高度與時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。當(dāng)抽取一定量的水(實(shí)驗(yàn)中的提水量為14.5L)時(shí)，提水高度越高，所需時(shí)間越長。從圖2看出，系統(tǒng)1的提水高度為0～30m，系統(tǒng)2的提水高度曲線在0～55m內(nèi)變化緩慢，近似為一條直線，說明在此范圍內(nèi)提水較為理想。此外系統(tǒng)1的提水高度曲線在30～40m、40～50m時(shí)比0～30m時(shí)更陡峭，系統(tǒng)2提水高度曲線在55～60m、60～70m時(shí)比0～55m時(shí)陡峭，表明兩系統(tǒng)分別在30～50m及55～70m范圍內(nèi)提水可滿足一定的抽水量，也具有一定的使用價(jià)值；但當(dāng)提水高度分別達(dá)到50m及70m以后，特別是接近揚(yáng)程時(shí)曲線變化更加陡峭，近乎與橫軸垂直，即時(shí)間為無限，說明此時(shí)用來抽水已沒有實(shí)用意義。

從圖2也可以看出，水泵實(shí)際揚(yáng)程與理論揚(yáng)程之間的比值為0.75～0.85，而系統(tǒng)的提水高度在實(shí)際揚(yáng)程的2/3左右時(shí)較為適用。

圖3顯示了輻照度與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。從圖3中可看出，當(dāng)輻照度大于450W/m2時(shí)即可滿足該光伏水泵的抽水工作；而當(dāng)輻照度小于200W/m2時(shí)水泵將不再抽水。

對(duì)光伏組件(太陽電池用量計(jì)算)和水泵功率的選擇進(jìn)行了相關(guān)研究[9,10]，最終使能量損失減少。

四 結(jié)論

本文從小型水泵的設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)，得出了滿足該光伏水泵工作的最小輻照度，并得到提水高度與時(shí)間、輻照度與提水時(shí)間之間的關(guān)系，為今后光伏水泵的工作提供參考。

(1)配置的不同揚(yáng)程的小型太陽能直流水泵，裝置簡單、實(shí)用，無需跟蹤器，能方便地讓太陽光直入射太陽電池組件，使效益得到提高。當(dāng)輻照度大于450W/m2時(shí)運(yùn)行良好，而當(dāng)輻照度小于200W/m2時(shí)水泵將不再抽水。

(2)系統(tǒng)的提水高度在實(shí)際揚(yáng)程的2/3時(shí)較為適用。

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