太阳能光伏器件与组件ch光伏水泵.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第7章 光伏水泵,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏水泵系统亦称“太阳能光电水泵系统”，其基本原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。它具有无噪声、全自动(日出而作，日落而停)、高可靠、供水量与蒸发量适配性好(天大旱，它大干)等许多优点。联合国国际开发署(UNDP)、世界 (WB)、亚太经社会(ESCAP)等国际组织部先后充分肯定了它的先进性与合理性，目前在这些国际组织的支持下，全世界已有数万台不同规格的光伏水泵在不同地区和国家运行，特别是在亚、非、拉及中东等发展中国家，已为许多贫困地区的人民带来相当可观的经济效益，加速了这些地区的脱贫步伐。,PHOTOVOLTAIC,该光伏阵列由统一规格的光伏电池板通过一定的串并联方式组成，该标准光伏电池板开路电压约为21V，峰值输出功率为46Wpo 2.,PHOTOVOLTAIC,水泵调速范围越宽越好。,混流泵是介于离心泵与轴流泵之间的一种叶片式水泵，它运转时叶片对水流产生离心力和升力的混合作用，水从叶轮中斜向流出。,为使电动机安全可靠地运行而又避免“大马拉小车”，选择电机容量大约为水泵的1.,根据负载特性调节水泵运行点。,Ecologically Economically Creatively,Ecologically Economically Creatively,光伏水泵系统应用实例,5kWp光伏阵列由54块标准太阳电池板中分为3组并联，其中每一支由18块串联组成，开路电压约为378V。,浮漂式水泵电机与泵体相连，放置于水面。,直流型-采用直流电机，其中直流无刷永磁电机应用广泛。,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,由于光伏水泵系统从技术上说是一个比较典型的光、机、电一体化系统，它涉及太阳能的采集、变换及电力电子、电机、水机、计算机控制等多个学科的最新技术，因此已被许多国家列为优先发展的高新技术和进一步发展的方向，中东、非洲有不少国家更是期望依藉太阳能水泵及省水微灌、现代化农业等新技术在地下水资源比较充裕的干旱地区把家园改造为绿洲。,光伏水泵与柴油机水泵相比具有相当良好的经济性。光伏水泵的初期 偏大是其缺点，但此后由于它的运行费用低和少维护或免维护等特点，其水的成本上升很缓慢，十年以后，柴油机水泵的水成本将是光伏水泵水成本的两倍还多，两者的盈亏平衡点约在三年左右。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,目 录,7.1 光伏水泵结构与原理,7.2,光伏水泵电机(自习),7.3 光伏水泵优化设计,7.4 光伏水泵速度闭环控制,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,7.1 光伏水泵结构与原理,光伏水泵系统由光伏阵列、控制电源、电动机和水泵构成。,光伏水泵基本结构,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,1.基本概念,1光伏水泵的种类,光伏水泵的种类很多，性能范围十分广泛。,(1)按泵的作用原理划分:,叶片式泵,利用叶轮高速旋转，叶片与液体不断发生相互作用，使液体增加压能和动能，从而达到传送液体的目的。叶片式泵又分为离心泵、混流泵和轴流泵三种基本泵型。叶片泵具有效率高、启动快、运行稳定、性能可靠、容易调节等优点，大部分光伏水泵为该种类型。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,容积式泵,利用泵内工作室容积周期性的变化，对液体产生挤压作用，增加液体压能，从而达到传送液体的目的。如活塞泵、回转泵。,其他类型泵,包括只改变液体位能的泵，如水车、螺旋泵等；利用高速工作流体(液体和气体)能量来输送液体的射流泵；利用管道中产生水锤压力进行提水的水锤泵等。,(2)按电机类型划分:,异步型,-采用异步电机的水泵。,直流型,-采用直流电机，其中直流无刷永磁电机应用广泛。,同步型,-采用同步电机，其中永磁同步电机作为主要种类。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,(3)按光伏水泵的放置方式划分,潜水泵,电机与泵体刚性地连接在一起，作为一个整体放入被抽水之中。,分离式水泵,电机与泵体分离开来，电机在陆地，泵体在水中，两者用长轴相连。,浮漂式水泵,电机与泵体相连，放置于水面。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2工作参数,(1),流量,:分成体积流量和质量流量两种，用符号Q表示。,(2),扬程,:俗称水头，定义为泵的叶轮传给单位重量液体的总能量，可以由泵进、出口断面上的单位总能量差值表示，以符号H表示，其单位为米。,(3),功率,:分为有效功率P和轴功率Pa两种。,有效功率P泵内液体所获得的净功率(kW)，可以根据流量和扬程计算得到,轴功率Pa 传给水泵轴上的功率(kW)。,(4),效率,sys,=,array,*,invert,*,motor,*,pump,*,coup,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是一项重要的技术经济指标。,(5),转速,:水泵内叶轮每分钟的转数。当光伏阵列注入的能量改变后，水泵转速将改变，同时水泵工作性能也随之改变。,(6),允许吸上真空高度,:允许吸上真空高度HR是表征水泵抽水性能的重要参数，由水泵级数和内压力所决定，是确定水泵安装扬程的主要参数。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2.泵的结构与原理,光伏水泵从泵的结构上一般可分为离心泵、混流泵及轴流泵三种叶片式水泵。叶片式水泵一般功率较小，更适合于光伏电源。,1离心泵,(1)工作原理与分类,离心泵属于高扬程叶片泵，其扬程范围目前从十几米至数千米，流量相对较小。离心泵是利用叶轮旋转时产生离心力的原理而工作的机构。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,在启动前必须使泵内和进水管中充满液体。当叶轮在泵壳内高速旋转时，液体质点在离心力作用下被甩向叶轮外缘，并汇集到泵壳内，使液体获得动能和压能，并沿着出水管输送出去。,离心泵品种规格和结构型式很多，按叶轮进水方式可分为单面进水悬臂式离心泵(简称单吸泵)及双面进水离心泵(简称双吸泵)两种。按泵内叶轮数目可分为单级泵和多级泵两种。按泵轴装置方式可分为卧式及立式两种。按水泵压出室型式又可分为蜗壳式及导叶式两种。光伏水泵大都采用单吸式、多级型、导叶式结构。,(2)构造,离心泵一般由叶轮、吸入室、压出室、泵轴及轴套、轴承、轴封装置、减漏环、轴向力平衡装置及底座等组成。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2轴流泵,(1)工作原理及分类,轴流泵属于低扬程叶片泵，其扬程从一米至十几米，流量较大，但扬程低。轴流泵是靠叶轮旋转时叶片对水流产生的升力而工作的。,轴流泵按泵轴安装方式可分为立式、卧式及斜式三种。立式轴流泵应用很广泛，其优点是：占地面积小，叶轮浸没在水中，启动方便；动力机安装在水泵上部，不易受潮。但泵轴较长，安装质量要求高。卧式轴流泵又分为普通轴伸式、贯流式(又称灯泡式、圆筒式)、猎背式和全贯流式(电机泵)等型式。大型卧式轴流泵进出水流道水流平顺，水头损失小，装置效率较高。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,轴流泵按叶片调节方式可分为固定式、半调节式和全调节式三种。固定式是叶片和轮毂体铸造在一起，叶片安放角不能进行调节。半调节叶片是装在轮毂体上，用螺母压紧，停机后用人工板动叶片。全调节轴流泵在运行中或停机后，根据不同的扬程和流量通过一套调节机构来改变叶片的安放角，以适应扬程和流量的需要。,(2)轴流泵的构造,轴流泵由叶轮、导叶、进出水道、泵壳、轴承、密封和调节机构等零部件组成。,轴流泵,混流泵,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3混流泵,混流泵是介于离心泵与轴流泵之间的一种叶片式水泵，它运转时叶片对水流产生离心力和升力的混合作用，水从叶轮中斜向流出。其结构型式可分为蜗壳式与导叶式两种。,混流泵兼有离心泵和轴流泵的优点，是一种在光伏水泵中适用性广而有前途的水泵，其优点有：功率变化小，高效率范围较广，工作范围广；能适应水位的变化，抗气穴性能好，运行平稳；体积较小，结构简单。,混流泵主要零部件亦为叶轮、泵轴及轴承、泵壳、密封、吸人室和压出室(或进水道及出水道)、底座等，与离心泵及轴流泵类似。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3.光伏水泵系统工作时的结构,由光伏阵列、最大功率功率控制器、控制器和水泵电机构成。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,4.日照及其运行条件,光伏水泵的输出功率也随日照的变化而变化。上面曲线为理论曲线，下面曲线为实测曲线。,太阳日照在一天中分布情况,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,水泵机组转矩转速特性曲线,为异步电机的转矩转速特性曲线,为机组负载转矩转速特性曲线,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,流量与水压关系,扬程曲线,功率曲线,效率曲线,水泵性能曲线,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,7.3 光伏水泵优化设计,1.总体设计原则,水泵调速范围越宽越好。,追求宽范围的高效率和高功率因数。,电机与泵、控制器一体化设计。,根据负载特性调节水泵运行点。,高功率密度。,轴功率Pa 传给水泵轴上的功率(kW)。,Ecologically Economically Creatively,连续调节电动机电源的频率，便能相应地改变电动机的转速。,Ecologically Economically Creatively,(3)按光伏水泵的放置方式划分,2 光伏水泵电机(自习),3混流泵,PHOTOVOLTAIC,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,混流泵是介于离心泵与轴流泵之间的一种叶片式水泵，它运转时叶片对水流产生离心力和升力的混合作用，水从叶轮中斜向流出。,光伏水泵系统亦称“太阳能光电水泵系统”，其基本原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。,(1)按泵的作用原理划分:,(1)按泵的作用原理划分:,容积式泵利用泵内工作室容积周期性的变化，对液体产生挤压作用，增加液体压能，从而达到传送液体的目的。,PHOTOVOLTAIC,光伏水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是一项重要的技术经济指标。,Ecologically Economically Creatively,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2.一体化结构,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3.水泵流量,Q,和扬程,H,与电机功率匹配,P,eT,=1.3 Q*H/,为使电动机安全可靠地运行而又避免“大马拉小车”，选择电机容量大约为水泵的1.3倍。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,4.水泵速度与电机输出功率,光伏水泵由于受太阳能量的约束和受负载的要求，需要不断调整本身的流量来满足输入和输出两方面的要求。调整光伏水泵的流量与功率主要依靠改变转速来实现。利用改变转速方法调节水泵时，在相当大的范围内，相应点的效率几乎保持不变。,扬程曲线,功率曲线,管路特性曲线,若n增加，特性曲线上升，与给定管路特性曲线的交点右移，流量增加；反之则流量减少。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,7.4 光伏水泵速度闭环控制,1.变频调速原理,变频调速系统示意图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,交流电机变频变压调速是20世纪80年代中期迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术。它由功率开关元器件构成的电力电子变换器(以下简称变换器)和三相交流电动机组成。连续调节电动机电源的频率，便能相应地改变电动机的转速。所以采用变频方法可以实现无级调速。,六个开关器件按三相桥式连接，以一定的时序使开关器件导通，PWM可改变输出电压的大小和波形。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,开关顺序,输出电压波形,由变换器驱动的三相异步电动机的调速系统具有调速范围广、运行可靠、维修简便和传动效率高(通常在95以上)等优点。将其用于光伏水泵中，可根据太阳能的大小实行速度控制，达到最经济运行。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2.其他调速类型及效率,一般原则：在追求最大太阳能利用的前提下，不要破坏水泵及电机本身的效率特性和机械特性。,不同的调速方法，其调速效率是不同的。可按两种类型估计其效率。,(1)高效调速型：其调速效率一般在80以上。如串级和变极调速及其他效率更高的类型。,(2)滑差调速型：如液力偶合器、电磁转差离合器、黏滞型调速离合器和转子串电阻调速等。滑差调速虽本身效率不高，但对于叶轮式泵这样的负载，所带来的效益都是很大的。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3.光伏水泵系统应用实例,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,该光伏阵列由统一规格的光伏电池板通过一定的串并联方式组成，该标准光伏电池板开路电压约为21V，峰值输出功率为46Wpo 2.5kWp光伏阵列由54块标准太阳电池板中分为3组并联，其中每一支由18块串联组成，开路电压约为378V。太阳电池板仰角约为46，地下水井深约为47m。光伏水泵则为水泵与变频调速电机连体的潜水泵。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,谢谢观看,