鐘小娟， 馬遜， 廖華， 劉祖明， 侯晨雪， 秦本乾， 張文強(qiáng)， 孫玲堯

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

太陽能作為清潔能源被人類廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，光伏水泵系統(tǒng)(Photovoltaic pump system)是光伏技術(shù)的重要應(yīng)用之一，適用于無電缺水的偏遠(yuǎn)地區(qū)[1].光伏水泵系統(tǒng)是一個(gè)比較典型的光、機(jī)、電一體化系統(tǒng)，主要由光伏組件、光伏水泵控制逆變器、水泵和蓄水池構(gòu)成[2].

對(duì)于光伏水泵系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的安裝設(shè)計(jì)，我國(guó)出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3]，但對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)缺乏規(guī)范，導(dǎo)致在工程設(shè)計(jì)中只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)，嚴(yán)重影響了光伏水泵的運(yùn)行性能.近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光伏水泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量研究[4-6]，然而沒有從系統(tǒng)的效率和能效等方面對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證.

本文綜合考慮光伏水泵系統(tǒng)的損耗，得到最佳系統(tǒng)功率配比范圍，并采用光伏設(shè)計(jì)軟件PVsyst建模，仿真系統(tǒng)能效比(Performance Ratio，PR)和供水保證率以驗(yàn)證最佳系統(tǒng)功率配比.

2 光伏水泵系統(tǒng)功率配比研究

2.1 理想情況下的系統(tǒng)功率配比

在計(jì)算系統(tǒng)功率配比時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定為水泵全天滿功率運(yùn)行5～5.5 h[7].參照離網(wǎng)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)來確定光伏水泵系統(tǒng)的光伏陣列容量[8]

(1)

式中：PPV為光伏陣列裝機(jī)容量，W；PP為水泵額定功率，W；HP為水泵滿功率運(yùn)行時(shí)間，h；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試輻照度，1 000 W/m2；G為日平均太陽輻射總量，Wh/；η為系統(tǒng)效率.根據(jù)式(1)可得光伏陣列裝機(jī)容量與水泵額定運(yùn)行功率的配比

(2)

2.2 光伏水泵系統(tǒng)效率分析

由于損耗的存在(如表1，未考慮組件的衰減)，光伏水泵在實(shí)際運(yùn)行中(全工況下)，η無法達(dá)到100%，所以需要對(duì)理想情況下的系統(tǒng)功率配比進(jìn)行修正.

表1 光伏水泵系統(tǒng)效率損耗值

由表1，光伏陣列的效率

r1=(1-X1)×(1-X2)×…×(1-X5)

(3)

交流端的效率

r2=(1-X6)×(1-X7)×(1-X8)

(4)

則系統(tǒng)總效率為：

r=r1×r2

(5)

從而修正的系統(tǒng)功率配比

(6)

2.3 光伏水泵系統(tǒng)性能評(píng)估參數(shù)

可利用年供水保證率和泵站綜合能效比[15]對(duì)光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，年供水保證率

(7)

式中ηp為光伏提水系統(tǒng)年供水保證率，%；Qh總為年總提水量，m3；Qr總為年總需水量，m3.能效比

(8)

式中，Yf為輸出水功率，W；Yr為光伏輸入功率，W.

3 仿真與分析

以昆明當(dāng)?shù)剌椪召Y源為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖2為昆明月平均峰值日照時(shí)數(shù)，數(shù)據(jù)來源于Meteonorom數(shù)據(jù)庫，可以看出昆明一年中四月份的太陽輻照資源最好，月平均峰值日照時(shí)數(shù)為5.62 h，昆明年平均峰值日照時(shí)數(shù)為4.18 h.

圖1 云南昆明月平均峰值日照時(shí)數(shù)

根據(jù)表1，光伏水泵系統(tǒng)中光伏陣列日常運(yùn)行效率為r1=81.4%.交流端的運(yùn)行效率為r2=91.2%，可得光伏水泵系統(tǒng)的日常運(yùn)行效率為74.2%，在日常運(yùn)行情況下，根據(jù)式(6)可以計(jì)算出光伏水泵系統(tǒng)的功率配比為1.612～1.774.

在光伏水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件PVsyst中，通過仿真不同功率配比的光伏水泵系統(tǒng)對(duì)計(jì)算的最佳功率配比范圍進(jìn)行驗(yàn)證.系統(tǒng)仿真地點(diǎn)為云南昆明，選用的氣象數(shù)據(jù)為Meteonorom數(shù)據(jù)庫中的Meteonom7.2station-synthetic.根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)地的氣象數(shù)據(jù)集和地理位置，得出光伏陣列的最佳傾角為30°，方位為正南.

在系統(tǒng)仿真中通過設(shè)置季節(jié)性用水需求來確定水泵功率，仿真選用的光伏水泵系統(tǒng)部件參數(shù)如表2所示.本次仿真的光伏水泵系統(tǒng)為深井光伏抽水系統(tǒng)，其原理圖如圖2所示.圖中HG為地面以上的輸送高度，HS為地下靜態(tài)水位，HD為抽水時(shí)的水位與靜態(tài)水位之差，Hmax為水泵吸入口的位置與靜態(tài)水位之差，系統(tǒng)仿真時(shí)分別設(shè)置為7 m、20 m、5 m和10 m.

表2 仿真系統(tǒng)部件參數(shù)

圖2 深井抽水原理圖

光伏水泵深井提水系統(tǒng)仿真以理論計(jì)算得出的光伏陣列與水泵最佳功率配比范圍為基礎(chǔ)，結(jié)合單塊組件功率(280 Wp)以及控制逆變器所能承受的最大電壓(500-850 V)和電流范圍(13 A)，在配比范圍臨界點(diǎn)和配比范圍內(nèi)外共設(shè)置五組配比.其中，配比范圍臨界點(diǎn)的功率配比選擇1.610和1.750,配比范圍之間的功率配比選擇1.680，功率配比以外的配比選擇1.400和1.995兩種比例.

通過PVsyst仿真軟件進(jìn)行仿真對(duì)比，表3為仿真結(jié)果.能效大于50%且年供水保證率大于95%[16]的光伏水泵系統(tǒng)可評(píng)價(jià)為高效光伏水泵系統(tǒng)[17].從仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于功率配比1.40的光伏水泵系統(tǒng)，其PR值最大，但是年供水保證率低于95%；對(duì)于功率配比為1.995的系統(tǒng)，年供水保證率最高，但是PR值低于50%，所以配比在1.400和1.995的都不符合高效水泵系統(tǒng)的要求.配比為1.610、1.680和1.750的光伏水泵系統(tǒng)年供水保證率均大于95%，PR值高于50%，符合高效光伏水泵系統(tǒng)的要求.

表3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

針對(duì)光伏水泵實(shí)際應(yīng)用中的功率匹配問題，將光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與光伏水泵理論設(shè)計(jì)相結(jié)合，搭建出系統(tǒng)功率配比模型.根據(jù)國(guó)家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范定性和定量的方式分析損耗因素，對(duì)系統(tǒng)功率配比模型進(jìn)行修正，得出最佳系統(tǒng)功率配比范圍.

通過光伏水泵仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得出云南昆明的光伏水泵系統(tǒng)的日常運(yùn)行最佳功率配比的范圍為1.612～1.774.