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        日照能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)

        2017-01-10 11:53:18協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院謝磊鄧偉
        太陽(yáng)能 2016年12期
        關(guān)鍵詞:出水量揚(yáng)程日照

        協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院 ■ 謝磊鄧偉

        日照能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)

        協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院 ■ 謝磊*鄧偉

        提出了一種能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng),建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)仿真工具對(duì)日照強(qiáng)度及系統(tǒng)揚(yáng)程對(duì)光伏水泵的系統(tǒng)效率及出水量的影響進(jìn)行了仿真分析,最后給出了提高系統(tǒng)日出水量的日照能量?jī)?yōu)化利用原則。

        光伏水泵系統(tǒng);數(shù)學(xué)模型;系統(tǒng)效率;出水量

        0 引言

        無(wú)電地區(qū)的供水問(wèn)題成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原因[1,2],光伏水泵因其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為了供水的優(yōu)選方案。然而,由于受到成本等因素的限制,大部分光伏水泵系統(tǒng)中未配置儲(chǔ)能電池,這意味著當(dāng)日照能量低于某一閾值時(shí),光伏水泵的出力會(huì)因?yàn)闈M足不了靜揚(yáng)程所需功率而導(dǎo)致無(wú)法出水,降低了光伏水泵的利用率,也造成了日照能量的浪費(fèi)。本文基于能量?jī)?yōu)化利用的思想,通過(guò)對(duì)光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真,對(duì)日照強(qiáng)度、系統(tǒng)揚(yáng)程對(duì)光伏水泵系統(tǒng)效率和出水量的影響進(jìn)行分析,總結(jié)出提高系統(tǒng)效率和出水量的能量?jī)?yōu)化利用原則。

        1 系統(tǒng)構(gòu)成

        圖1為本文提出的能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng),其由光伏陣列、MPPT光伏水泵控制器、水泵切換裝置、水泵系統(tǒng)、流量傳感器組成。水泵切換裝置根據(jù)流量傳感器返回的流量數(shù)據(jù)對(duì)水泵1和水泵2的工作進(jìn)行控制。

        圖1 能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)

        2 數(shù)學(xué)模型

        2.1 日照強(qiáng)度分布模型

        本文采用的日照強(qiáng)度分布模型[3]為:

        式中,Gm為峰值日照強(qiáng)度,W/m2;T為每天的總?cè)照招r(shí)數(shù);t為一天中的某一日照時(shí)刻。

        2.2 光伏陣列模型

        光伏陣列的模型可描述為[4]:

        式中,Isc為光伏組件的短路電流,A;Voc為光伏組件的開(kāi)路電壓,V;ΔI為由于日照及溫度變化所帶來(lái)的電流增量,A;ΔV為受日照、溫度變化及串聯(lián)體電阻Rs所造成的電壓增量,V;C1、C2為相關(guān)系數(shù)。

        2.3 離心泵與管路模型

        離心泵的H-Q特性曲線可表示為[5,6]:

        式中,H為系統(tǒng)揚(yáng)程,m;Q為流量,m3/h;a、b、c為模型參數(shù)。

        管路的H-Q特性曲線可描述為:

        式中,Hp為水泵系統(tǒng)的揚(yáng)程,m;H1為系統(tǒng)揚(yáng)水高度,m;kp為管路系數(shù)。

        3 實(shí)驗(yàn)和仿真

        3.1 實(shí)驗(yàn)

        為便于進(jìn)行仿真分析,本文選用了R95-DF-04和R95-BF-06兩種規(guī)格的離心泵[7],并根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)其H-Q特性進(jìn)行了曲線擬合,所得的擬合系數(shù)如表1、表2所示。

        表1 R95-DF-04的擬合系數(shù)

        表2 R95-BF-06的擬合系數(shù)

        利用Matlab工具和表1、表2中的擬合系數(shù),可得到如圖2a、2b所示的H-Q特性擬合曲線。從圖2中可看出,擬合曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合程度很好,擬合系數(shù)可用于光伏水泵的建模。

        圖2 H-Q特性擬合曲線

        3.2 仿真

        本文采用Simulink建立了如圖3所示的系統(tǒng)仿真模型,并基于此模型對(duì)R95-DF-04水泵系統(tǒng)、R95-BF-06水泵系統(tǒng)、復(fù)合水泵系統(tǒng)(R95-DF-04和R95-BF-06可切換)進(jìn)行了不同日照強(qiáng)度、揚(yáng)程、切換日照強(qiáng)度下的系統(tǒng)效率和日出水量的仿真分析。

        圖4a、4b分別是在不同揚(yáng)程下,R95-DF-04水泵系統(tǒng)、R95-BF-06水泵系統(tǒng)和復(fù)合水泵系統(tǒng)在最高日照強(qiáng)度Smax=1000 W/m2下,切換日照強(qiáng)度為800 W/m2的系統(tǒng)平均效率和日出水量的仿真結(jié)果。

        圖3 光伏水泵系統(tǒng)的仿真模型

        圖4 3種水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率和日出水量

        由圖4a可看出,當(dāng)揚(yáng)程低于14 m時(shí),R95-DF-04水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率高于R95-BF-06水泵系統(tǒng);復(fù)合水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率在揚(yáng)程低于17 m時(shí),均高于R95-BF-06水泵系統(tǒng),并且?guī)缀踉谌珦P(yáng)程范圍內(nèi),復(fù)合水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率均優(yōu)于R95-DF-04水泵系統(tǒng)。

        由圖4b可看出,3種水泵系統(tǒng)的日出水量與水泵系統(tǒng)效率的規(guī)律類(lèi)似。因此,可以以日出水量作為評(píng)判水泵系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)。

        圖5為在最高日照強(qiáng)度Smax=1000 W/m2下,不同切換日照強(qiáng)度(800 W/m2和600 W/m2)時(shí)的復(fù)合水泵系統(tǒng)日出水量的對(duì)比。

        由圖5可知,當(dāng)揚(yáng)程低于10 m且切換日照強(qiáng)度為600 W/m2時(shí),可獲得比切換日照強(qiáng)度為800 W/m2時(shí)更多的日出水量;當(dāng)揚(yáng)程高于10 m時(shí),情況恰恰相反。

        圖6為最高日照強(qiáng)度Smax=700 W/m2、復(fù)合水泵系統(tǒng)切換日照強(qiáng)度為600 W/m2時(shí),3種水泵系統(tǒng)日出水量的對(duì)比。

        圖5 不同切換日照強(qiáng)度下的日出水量對(duì)比

        圖6 Smax=700 W/m2時(shí)的日出水量

        由圖6可知:1) 3種水泵系統(tǒng)的最高出水揚(yáng)程及日出水量相較于最高日照強(qiáng)度Smax=1000 W/m2時(shí)的情況,均有明顯下降。2) R95-DF-04水泵系統(tǒng)在揚(yáng)程低于6 m時(shí),日出水量高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)。而復(fù)合水泵系統(tǒng)則在揚(yáng)程低于9 m時(shí),有高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)的出水量;且在全揚(yáng)程范圍內(nèi),復(fù)合水泵系統(tǒng)的日出水量均優(yōu)于R95-DF-04水泵系統(tǒng)。

        4 結(jié)論

        本文對(duì)光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,以不同的系統(tǒng)揚(yáng)程為前提,將最高日照強(qiáng)度、不同切換日照強(qiáng)度對(duì)3種不同類(lèi)型光伏水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率、日出水量的影響進(jìn)行了仿真分析,最終得出以下日照能量?jī)?yōu)化利用的原則:

        1) 當(dāng)最高日照強(qiáng)度一定時(shí),系統(tǒng)揚(yáng)程對(duì)水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率和日出水量有十分明顯的影響。當(dāng)揚(yáng)程確定時(shí),應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)于與此揚(yáng)程下的具有更高系統(tǒng)效率或日出水量的水泵系統(tǒng)。

        2) 復(fù)合水泵系統(tǒng)在全揚(yáng)程范圍內(nèi),均可獲得優(yōu)于R95-DF-04水泵系統(tǒng)的日出水量;與R95-BF-06水泵系統(tǒng)相比,則需要根據(jù)揚(yáng)程大小進(jìn)行合理選擇。

        3) 不同最高日照強(qiáng)度對(duì)3種水泵系統(tǒng)的最高日出水量所對(duì)應(yīng)揚(yáng)程閾值的影響也十分顯著。Smax=1000 W/m2且當(dāng)揚(yáng)程低于8 m時(shí),R95-DF-04水泵系統(tǒng)日出水量最大;當(dāng)揚(yáng)程介于8 m與17 m之間時(shí),復(fù)合水泵系統(tǒng)日出水量最大;當(dāng)揚(yáng)程高于17 m時(shí),R95-BF-04水泵系統(tǒng)日出水量最大。而在最高日照強(qiáng)度Smax=700 W/m2時(shí),上述揚(yáng)程閾值點(diǎn)分別下降至6 m和9 m。

        4) 當(dāng)最高日照強(qiáng)度確定時(shí),不同揚(yáng)程、不同切換日照強(qiáng)度對(duì)復(fù)合水泵系統(tǒng)的最高日出水量也有一定影響,應(yīng)根據(jù)揚(yáng)程所在區(qū)間合理選擇不同的切換日照強(qiáng)度以?xún)?yōu)化日出水量。

        [1] Woodhoo A, Iruarrizaga-Lejarreta M, Beraza N, et al. The feasibility study of solar irrigation: Economical comparison between diesel and photovoltaic water pumping systems for different crops[J]. International Conference on Electrical Information & communication Technology, 2014, 7(1): 1-5.

        [2] Vick B D, Clark R N. Experimental investigation of solar powered diaphragm and helical pumps [J]. Solar Energy, 2011, 85(5): 945-954.

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        2016-10-25

        謝磊 (1981—),男,博士、高級(jí)工程師,主要從事太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)方面的研究。spray_xl@163.com

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