王文儀，朱勛夢(mèng)，劉祖明，韋永森

(1.桂林師范高等?？茖W(xué)校物理與工程技術(shù)系，廣西 桂林 541001；2.云南師范大學(xué)太陽能研究所，昆明 650500)

0 引 言

“光伏水泵系統(tǒng)”也被稱作“太陽能光電水泵系統(tǒng)”，它是利用光伏組件陣列，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能, 驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)水泵工作，提取江、河、井、塘等水源處的水。光伏水泵系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于牧區(qū)、草原、邊防哨所、農(nóng)業(yè)等地區(qū)，提供人畜飲用水以及草原、牧場(chǎng)或其他農(nóng)作物的灌溉用水[1]。在發(fā)達(dá)國(guó)家，“光伏水泵系統(tǒng)”己逐步地被用作花園、別墅、草地及宿營(yíng)地等的供水設(shè)施，成為文明時(shí)尚的產(chǎn)品[2]。光伏水泵能有效解決耕地干旱問題,提高耕地產(chǎn)量。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，Odeh.I[3]等討論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。朱勛夢(mèng)[4]等對(duì)一套小型太陽能直流水泵的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出水泵系統(tǒng)與輻照強(qiáng)度的關(guān)系。Abdelmalek[5]等研究了直接耦合的光伏提水系統(tǒng)性能，光伏陣列與水泵功率配置比為173%系統(tǒng)白天工作時(shí)間超過8 h。另外,何慧若[6,7]等對(duì)“光伏水泵系統(tǒng)”的優(yōu)化配置也做了大量的研究，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。在系統(tǒng)安裝運(yùn)行過程中,如何使得光伏系統(tǒng)中光伏陣列的功率與水泵功率配置最優(yōu)化，以降低系統(tǒng)的成本，一直是一個(gè)難題。到目前為止，國(guó)家尚未出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定對(duì)光伏水泵系統(tǒng)中的啟動(dòng)功率進(jìn)行限定,在絕大多數(shù)情況下，工程人員只能依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，因此,在系統(tǒng)配置時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)水泵功率與光伏組件功率配比不匹配的問題,這樣配置的系統(tǒng)要么大大增加成本投入,要么系統(tǒng)運(yùn)行不暢。基于上述現(xiàn)狀，本文就光伏水泵系統(tǒng)中光伏組件功率與水泵功率在實(shí)際應(yīng)用中所選擇的配比關(guān)系進(jìn)行研究，以找到最佳配置比例范圍。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

光伏水泵系統(tǒng)主要由光伏組件、控制器、水泵、蓄水池、管道等部分組成，其工作簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 光伏水泵系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Photovoltaic pump system diagram

光伏水泵提水技術(shù)是最好的光伏應(yīng)用技術(shù)之一，一方面，干旱需要水的時(shí)候往往也是太陽輻照最強(qiáng)的時(shí)候，而陰雨天抽水量較少也是對(duì)水的需求相對(duì)較少，這與太陽能資源有很好的匹配性；另一方面，太陽輻照強(qiáng)時(shí)水泵可多抽水，輻照弱時(shí)少抽水或不抽水，不需要蓄電池，將儲(chǔ)電變成儲(chǔ)水，大大節(jié)約了光伏系統(tǒng)的成本。光伏水泵取水特別適合連續(xù)干旱的氣候特點(diǎn)，使用光伏水泵可以較經(jīng)濟(jì)地將低處的江水提到高山進(jìn)行灌溉及生活用水，從根本上幫助山區(qū)農(nóng)村的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)居民，使昔日靠天吃飯的地區(qū)變成新的魚米之鄉(xiāng)。

2 系統(tǒng)配比研究

2.1 太陽輻照強(qiáng)度

系統(tǒng)中電力完全由光伏組件提供，且光伏組件發(fā)電量受太陽輻照影響較大[1]，在系統(tǒng)中需要選擇設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓夥M件功率，使之與光伏水泵相匹配，整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作，能夠最大的發(fā)揮系統(tǒng)作用，盡量減少浪費(fèi)。因此，需要知道輻照強(qiáng)度在一天中的變化情況，圖2為2013年昆明某一晴天輻照隨時(shí)間變化圖。

圖2 全天輻照度隨時(shí)間變化圖Fig.2 The relationship curves between all day long irradiation and time

從圖2中可以看出太陽輻照度在一天的變化基本呈現(xiàn)正弦函數(shù)關(guān)系，輻照度大于等于1 000 W/m2的時(shí)間在2 h左右，大于等于900 W/m2的超過3 h，近4 h的福照度是850 W/m2，大于等于800 W/m2的時(shí)間超4 h, 400 W/m2以上的時(shí)間超7 h。

2.2 理想情況下的配比

從圖2可以看出,一天中正午附近的輻照度才能達(dá)到1 000 W/m2，其他大部分時(shí)間達(dá)不到此輻照值。目前，考慮到系統(tǒng)全天折合滿功率抽水時(shí)間不低于5 h，由圖2分析可以看出，若光伏水泵系統(tǒng)在近900 W/m2時(shí)，系統(tǒng)在滿功率條件下工作，那么以一種理想的狀況來計(jì)算光伏組件與水泵功率比例關(guān)系如下：

(1)

式中：Ppv為所需光伏組件功率，W；Pp為水泵額定功率，W；Ht為水泵工作狀態(tài)與額定條件下工作狀態(tài)相當(dāng)時(shí)的太陽輻照強(qiáng)度，W/m2。

光伏組件功率與水泵功率比例系數(shù)kb可用下式計(jì)算：

(2)

系統(tǒng)全天折合滿功率抽水時(shí)間為5～6 h，由以上計(jì)算方法計(jì)算,水泵從900 W/m2的輻照強(qiáng)度或850 W/m2后，系統(tǒng)在滿負(fù)荷功率下工作，系統(tǒng)配比應(yīng)為111.1%～117.7%。

2.3 逆變器修正

系統(tǒng)中除了太陽輻照強(qiáng)度對(duì)電機(jī)與組件的配比影響外,還有許多因素的影響，如:管路及電機(jī)本身都要損失一部分電能,這一點(diǎn)從能量守恒中不難推知，如果僅僅按照電機(jī)的功率來嚴(yán)格配備光伏組件大小,就會(huì)出現(xiàn)電機(jī)不能正常工作,特別是提水高度高時(shí)將會(huì)出現(xiàn)抽不了水的情況。若是加入了逆變器、控制器等器件的系統(tǒng)，還需要考慮這些器件的消耗及逆變效率。國(guó)家金太陽光伏逆變器認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,無變壓器型逆變器最大轉(zhuǎn)換效率應(yīng)不低于96%，含變壓器型逆變器最大轉(zhuǎn)換效率應(yīng)不低于94%[8]。在這里計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)按照94%的轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，引入修正系數(shù)γ1=0.94，那么(1)式修改為：

(3)

光伏組件功率理論值為111.1%的配比將要配118.2%，理論值為117.7%的配比將要配125%。

2.4 組件修正

光伏組件是整個(gè)光伏水泵系統(tǒng)的動(dòng)力核心，動(dòng)力不足水泵也不能充分發(fā)揮作用，因此，光伏組件的選型及配置是光伏水泵系統(tǒng)高效率的關(guān)鍵。光伏組件的標(biāo)稱功率是標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試的：光譜分布AM1.5，輻照度1 000 W/m2，溫度25 ℃，由于光伏組件是負(fù)溫度系數(shù)器件，在陽光照射下，光伏組件實(shí)際工作溫度一般為55 ℃，晶體硅光伏組件的輸出功率溫度系數(shù)是-0.4%/℃[9]，則在實(shí)際工作時(shí)將有12%的溫度損耗。系統(tǒng)運(yùn)行中，光伏組件長(zhǎng)期置于外界環(huán)境中，組件上的灰塵遮擋，組合損耗、線損等，系統(tǒng)組件與標(biāo)況測(cè)試對(duì)比損耗為15%。進(jìn)而引入另一修正系數(shù)γ2=0.85，則(3)式修改為：

(4)

那么,系統(tǒng)計(jì)算的配置由118.2%～125%增加至139%～147%。按照組件性能要求，25年后發(fā)電效率衰減到80%，再次引入另一修正系數(shù)γ3=0.8，則系統(tǒng)計(jì)算的配置由139%增加至173%,147%的增加至183%。

2.5 修正后的表達(dá)式

在以上修正后，光伏組件功率與水泵功率的配比最后變?yōu)椋?/p>

(5)

對(duì)于一般的光伏水泵系統(tǒng)，不一定考慮滿額配置173%～183%之間，光伏組件與水泵電機(jī)配置比例可考慮在147%～173%范圍。但在實(shí)際應(yīng)用中，人們往往選擇的揚(yáng)程要比水泵標(biāo)值揚(yáng)程低，流量選擇也會(huì)相應(yīng)放大選擇，由于這些選擇會(huì)使系統(tǒng)在低輻照強(qiáng)度時(shí)就開始運(yùn)行，每天抽水時(shí)間增長(zhǎng)或流量增加，同樣可以滿足需要，這種情況可以根據(jù)實(shí)際選擇的系統(tǒng)元件對(duì)此比例進(jìn)行適當(dāng)減小處理。

3 實(shí)例工程

表1中展示了在云南、四川等地現(xiàn)已建設(shè)好的7個(gè)光伏水泵取水工程，具體參數(shù)如表1所示。

表1 光伏水泵實(shí)例工程基本參數(shù)Tab.1 Photovoltaic pump instance engineering basic parameters

7套系統(tǒng)中,光伏系統(tǒng)與水泵功率的配置大于144%的5套系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好,能夠達(dá)到水泵額定工作點(diǎn)功率。對(duì)配比為121%的系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行了全天測(cè)試，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間在上午9∶00左右，啟動(dòng)輻照強(qiáng)度為350 W/m2，停止抽水時(shí)間為在下午17∶25左右，全天運(yùn)行時(shí)間近8.5 h。得到系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)直流電壓為582 V，電機(jī)交流電流 17.3 A，電機(jī)三相交流電壓為386 V。當(dāng)輻照強(qiáng)度超過850 W/m2以后直至全天最大輻照強(qiáng)度1 044 W/m2，水泵工作電機(jī)三相交流電壓變化范圍在(531～540 V)、交流電流在(31.6～32.6 A)、輸入功率(16.8～17.6 kW)相對(duì)較穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間大約在3.5～4 h，由于系統(tǒng)中的配配比關(guān)系為121%(較低)，系統(tǒng)在輻照最強(qiáng)時(shí)輸入功率也沒有達(dá)到水泵功率(18.5 kW)。

從以上的分析知道，系統(tǒng)組件與水泵電機(jī)配比為121%，在不考慮系統(tǒng)衰減時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到額定功率抽水時(shí)間為每天4 h左右，與實(shí)測(cè)值吻合較好。從實(shí)際測(cè)量結(jié)果看，系統(tǒng)全天抽水時(shí)間遠(yuǎn)大于4 h(接近8 h)。從水泵啟動(dòng)點(diǎn)與停止點(diǎn)時(shí)，水泵工作的電壓、電流與功率可以看出，水泵在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒有處在額定功率點(diǎn)處，在系統(tǒng)安裝時(shí)，提水高度沒有達(dá)到水泵標(biāo)定揚(yáng)程的高度，即系統(tǒng)處于欠工作狀態(tài)，這一點(diǎn)，從實(shí)際測(cè)試結(jié)果也得到了驗(yàn)證。

4 結(jié) 語

實(shí)例工程運(yùn)行情況良好的系統(tǒng)得到的光伏組件功率與水泵功率的配置與本文提出的計(jì)算公式所得結(jié)果較為吻合，說明本文提出的計(jì)算方案是可行的，能為今后的光伏水泵系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)提供參考。

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