光伏水泵系统标准设计.doc

摘 要光伏水泵系统是光伏技术关键应用之一。光伏水泵可广泛应用于众多领域，偏远地域用水、浇灌、蓄电等。它含有没有污染、少维修、不消耗其它能源等优点，得到大家充足肯定。本论文关键研究内容和结论以下：（1）讲述光伏水泵原理，分析了泵站设计通常要求和技术要求。（2）泵站建设条件分析和性能参数如扬程、流量设计。（3）光伏水泵设计方案，包含日照数据处理、光伏组件特征分析计算、电流电压大小确定等。在设计一个光伏水泵系统时有两个很关键标准，一是选择最适宜系统配件，二是系统配件间达成最好匹配。【关键词】光伏水泵；性能参数；扬程目录第1章 绪论1第2章 光伏水泵介绍22.1光伏水泵概述22.2光伏水泵背景22.3光伏水泵意义2第3章 水泵系统43.1系统组成及工作原理43.1.2变频器主电路及硬件组成43.1.3 DCDC升压电路简述53.2 光伏水泵最大功率点跟踪(MPPT)设计63.3 系统保护功效设计73.4光伏水泵系统多个结构形式8第4章 光伏水泵系统设计94.1 需水量计算94.2 选择倾角并修正日照数据104.3 数据处理104.4 水泵选择124.5选择兼容电动机134.6 求出子系统负载曲线134.7 光伏系统规格144.8 电压大小144.9 电流大小15参考文件16AbstractPhotovoltaic photovoltaic water pump is one of the main applications of. Photovoltaic water pump is widely applied in many areas, remote areas, irrigation water, storage etc. It has the advantages of no pollution, less repair, do not consume other energy a bit, have been fully affirmed. In this paper, the main research contents and conclusions are as follows: (1) Tells the story of photovoltaic water pump are analyzed the principle, general design requirements and technical requirements.(2) Pumping station construction condition analysis and parameters head, flow design. (3) The photovoltaic pump design, including the data processing, photovoltaic modules performance analysis, current and voltage size determination. In the design of a photovoltaic water pump system has two important principles, one is the most suitable system accessories choice, one is the matching system accessories.【key words】Photovoltaic pump；Performance parameters；Lift第1章 绪论光伏水泵亦称太阳能水泵，关键由光伏扬水逆变器和水泵组成。具体应用时，再依据不一样扬程和日用水量需求配以对应功率太阳能电池阵列，统称为光伏扬水系统。 光伏水泵利用来自太阳持久能源，日出而作，日落而歇，无需人员看管，不需要柴油、不需要电网，可和滴灌、喷灌、渗灌等浇灌设施配套应用，节水节能，可大幅降低使用化石能源电力投入成本。是全球“粮食问题”、“能源问题”综合系统处理方案新能源、新技术应用产品。太阳能水泵和常规柴油抽水系统相比含有以下优点：光伏电源用到运动部件、零件少，不会对使用者造成伤害。所用到能源起源于太阳能，所以不产生废水、废气等有害物质，利于环境保护。安装维护简单，能够实现无人值守。含有较高兼容性，能够和其它能源配合使用。从能源角度看，太阳能用之不竭，其应用面广。不过也有它缺点，比如前期资金投入比柴油机抽水系统高；使用太阳能能量分散，间歇性大等【2】。光伏水泵系统，这种新兴、环境保护、节能光伏应用技术，毫无疑问，将对发展干旱少雨地域现代农业带来巨大经济效益和社会效益，它符合节能减排、环境友好社会发展战争略。 多年来，伴随全球“粮食问题”、“能源问题”严重性不停提升，逐步被誉为处理有效耕地提升产量和用清洁能源替换化石能源最为有效产业整合产品。成为把光伏产业和农业水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等传统产业综合发展新兴经济模式。第2章 光伏水泵介绍2.1光伏水泵概述光伏水泵大多由能量系统、控制系统、泵系统及连接管线组成。能量系统由太阳能电池板组件或配以蓄电池组成，控制系统分直流和交流输出两类分别包含MPPT（最大能量跟踪），水泵驱动控制，变频或逆变控制，泵系统关键由泵体和电机组成。水泵通常多以泵结构和作用原理来分类，有时依据需要也按使用部门、用途、动力类型和泵水力性能等进行分类。(1)按使用部门分：有农业用泵(农用泵)、工作用泵(工业泵 )和特殊用泵等。(2)按用途分：有水泵、砂泵、泥浆泵、污物泵、井用泵、潜水电泵 、喷灌泵、家用泵、消防泵等。(3)按动力类型分：有手动泵、畜力泵、脚踏泵、风力泵、太阳能水泵、电动泵、机动泵、水轮泵、内燃水泵、水锤泵等。(4)按工作原理分：有离心泵、混流泵、轴流泵、漩涡泵、射流泵、容积泵( 螺杆泵 、活塞泵、隔膜泵 )、链条泵、电磁泵、液环泵。2.2光伏水泵背景光伏水泵技术包含到学科领域比较多，从系统组成角度看，它不一样于常规“电源+水泵”，而是光、机、电、电力电子、计算机技术、多机群控技术等学科综合。中国清华大学、合肥工业大学、浙江大学、西安交通大学、中科院电工所等多所高等学校和国家级科研院所在国家科委、国家科委、国家经贸委和原机械工业部支持下科技攻关计划，现在已经达成了能够批量产业化生产程度，其技术水平已经可和国外发达国家产品水落石出平相媲美。从经济性角度看，光伏水泵运行成本已经证实大大低于柴油机水泵，因为近两年来中国外半导体太阳电池不停降价，使光伏水泵相对于柴油机水泵水价优势愈加令人瞩目。除此之外，它还含有没有些人值守、高可靠性、和农作物水蒸发量适配性好等到物有优点。2.3光伏水泵意义 二十一世纪中国经济建设战略关键将移向大西北，不仅矿产等原材料和煤、石油、天然气等能源生产基地将移向西北地域，农业、牧业也将把西北地域作为俦发展地域。 西北地域大部分是中国边远地域和少数民族聚居地域。因为自然条件差，历史上汉族和少数民族之间不平等，西北地域社会发展一直落后于东部地域，加紧发展西北地域经济，消除贫困，对于稳定和平衡发展含相关键意义。 西北贫困地域首要问题是水问题。在西北部分严重干旱地域，至今连饮水问题全部还没有根本处理，贫困程度可想而知。在可利用草地面积中，有30因为缺乏人畜饮水而未能利用。应用光伏水泵对于处理这些贫困地域饮用水和农牧业用水含有尤其关键意义。 因为人为破坏和不合理开发活动，使原来就很脆弱生态环境日益恶化，水上流失、森林降低、土地沙化、盐碱化、荒漠化、物种降低等生态环境问题越来越严重。推广应用光伏水泵技术，合理开发水、土等资源，建设绿色大西北，对于改善西北乃至全国生态环境全部有极其关键意义。 西北地域水资源能够满足需要水资源是指可更新补充可永续利用淡水资源，属于可再生资源。水资源总量包含河川面只32%,水资源为全国8%,所以从总体上看西北地域水资源很贫乏.二是地下水资源相对丰富,地下水在水资源总量口百分比高达45%,所以在西北地域水资源中,地下水占有十分关键地位。三是地下水资源大部分分布在山前平原地带，关键如祁连山、天山、昆仑山山前地带。对这些地带而言，地下水资源是丰富或比较丰富。而这些地带正是可耕土地和人口集中分布地带，是关键经济带。 应用光伏水泵和节水浇灌技术能够在沙漠中大面积植树造林，大大提升造休成活率，促进三6北防护林建设。扩大41M面积和人工草地面积，能够预防土地退化、沙化将为减入显著。大于20年费用2万圆，根据20年算效益愈加显著。第3章 水泵系统3.1系统组成及工作原理 由图1可知，系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。经过DCDC升压，和含有TMPPT功效变频器后输出三相交流电压驱动交流异步电机和水泵负载，完成向水塔储水功效。其中关键包含4部分：太阳电池阵列；含有TMPPT功效变频器；水泵负载；储水装置。 3.1.2变频器主电路及硬件组成 本系统所采取主电路及硬件控制框图图2所表示。主电路DCDC部分采取性能优越推挽正激式电路进行升压；DCAC部分采取三相桥式逆变电路。主功率器件采取ASIPM（一体化智能功率模块）PS12036，系统控制关键由16位数字信号控制器dsPIC30F组成。外围控制电路包含阵列母线电压检测和水位打干检测电路。系统首先经过初始设置工作方法和PI参数工作，然后由MPPT子程序实时搜索出电压值作为内环CVT给定，经过PI调整得到工作频率值，计算出PWM信号占空比，实现光伏阵列真正最大功率跟踪(TMPPT)，并保持异步电机Vf比为恒值。系统将MPPT和逆变器相结合，利用ASIPM模块自带故障检测功效进行检测和保护，结构简单，控制方便。3.1.3 DCDC升压电路简述 对于中小功率光伏水泵来说，光伏阵列电压大全部是低压(24v、36v、48V)，对于升压主电路选择，大家通常选择推挽电路，因为推挽电路变压器原边工作电压就是直流侧输入电压，同时驱动不需隔离，所以比较适合输入电压较低场所。不过偏磁问题是制约其应用一大不利原因，功率管参数差异和变压器绕制工艺全部有可能使推挽电路工作在一个不稳定状态。基于很多原因考虑，本系统采取了结构新奇推挽正激电路，此电路拓扑不仅克服了偏磁问题，而且闭环控制也比较轻易(二阶系统)。 推挽正激电路图2所表示，由功率管S1及S2，电容C8和变压器T组成，变压器T原边绕组N1及N2含有相同匝数，同名端图2所表示。当S1及S2同时关断时候，电容C8两端电压下正上负，且等于阵列电压，当S1开通，S1、N2和光伏阵列组成回路，N2上正下负，同时C8、N1和S1组成回路，C8放电，N1下正上负，此时工作相当于两个正激变换器并联。同理，当S2开通S1关断时，也相当于两个正激变换器并联。经过理论分析，推挽正激电路是一个二阶系统，所以闭环控制简单，同时输出滤波电感和电容大大减小。 Microchip企业经过在16位单片机内巧妙地添加DSP功效，使MicrochipdsPIC30F数字信号控制器（DSC）同时含有单片机（MCU）控制功效和数字信号处理器（DSP）计算能力和数据吞吐能力。因为它含有DSP功效，同时含有单片机体积和价格，所以本系统采取此芯片作为控制器。此芯片关键适适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正等。dsPIC30F管脚示意图3所表示。3.2 光伏水泵最大功率点跟踪(MPPT)设计3.2.1 常规恒定电压跟踪(CVT)方法特点和不足 CVT方法能够近似取得太阳电池最大功率输出，软件上处理比较简单。但实际上日照强度和温度是时刻改变，尤其是在西部地域，同一天中不一样时段，温度和日照强度改变全部相当大，这些全部会引发太阳电池阵列最大功率点电压偏移，其中尤以温度改变影响最大。在这种情况下，采取CVT方法就不能很好地跟踪最大点。3.2.2TMPPT原理和实现 为克服CVT方法弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正最大功率跟踪”控制，即确保系统不管在何种日照及温度条件下，一直使太阳电池工作在最大功率点处。因为逆变器采取恒Vf控制，故水泵电机转速和其输入电压成正比，所以，调整逆变器输出电压，就等于调整了负载电机输出功率。故本系统采取TMPPT方法使太阳电池尽可能工作在最大功率点处，为负载提供最大能量。 由太阳电池阵列特征曲线见图4可知，在最大功率点处，dPdv=O，在最大功率点左侧，当dPdVO时，P呈增加趋势，dPdVO时，P呈降低趋势，dPd v0，则Z1为+1，Z2为+1，Z3为+l，Usp*指令电压继续增加。如dPdVO，则Z1为-l，Z2为-1，Z3为-1，Usp*指令电压开始减小。稳定工作时，系统在最大功率点周围摆动，假如摆动幅度越小，则精度越高。在具体工作时，为了预防搜索方向误判定，软件中设置了搜索限幅值，使系统工作可靠性深入提升。因为本系统中采取ASIPM模块带有电流检测功效，故在硬件设计上能够省去电流检测电路，节省了成本，并深入优化了外围电路。3.3 系统保护功效设计 （1）过流和短路保护功效 因为ASIPM下臂IGBT母线上串有采样电阻，所以经过检测母线电流能够实现保护功效。当检测电流值超出给定值时，被认为过流或短路，此时下桥臂IGBT门电路被关断，同时输出故障信号，dsPIC检测到此信号时封锁PWM脉冲深入保护后级电路。 （2）欠压保护功效 ASIPM检测下桥臂控制电源电压，假如电源电压连续低于给定电压1OMs，则下桥臂各相IGBT均被关断，同时输出故障信号，在故障期间，下桥臂三相IGBT门极均不接收外来信号。 （3）过热保护功效 ASIPM内置检测基板温度热敏电阻，热敏电阻阻值被直接输出，dsPIC经过检测其阻值能够完成过热保护功效。以上保护是利用了ASIPM本身带有功效，无须外加电路，深入简化了硬件电路设计。系统除了含有上述保护功效外，还含有光伏水泵系统特有低频、日照低、打干(自动和手动打干)等保护功效。对于泵类负载，当转速低于下限值时，光伏阵列所提供能量绝大部分全部转化为损耗，长久低速运行，会引发发烧并影响水泵使用寿命，所以，本系统设计了低频保护，对水泵来说，当液面低于水泵进水口时，水泵处于空载状态，若不采取方法，长时间运行则会损坏润滑轴承，而本系统为户外无人值守工作方法，故系统为了增加检测可靠性，采取了自动打干和手动打干两种识别方法，其中，自动打干是依据系统输出功率和电机工作频率来进行判别；手动打干则是经过水位传感器识别目前水位高低来实现。因为低频、日照低、打干等功效全部是由软件来完成，不须增加硬件电路，故系统结构简单。3.4光伏水泵系统多个结构形式 图3.2为无人值守交流光伏水泵系统，适合微小供水场所，专门用于供水。图3.2 微型供水系统图3.3所表示体统含有多个用途，性能价格比较优越，可用于扬水，还可用于照明，收看电视和驱动冰箱等，能满足无电用户用电需求。图3.3 多个用途供水系统第4章 光伏水泵系统设计4.1 需水量计算 现将要在景德镇市浮梁县流口村安装一套光伏水泵系统，使用该系统作为洁净人畜饮用水。景德镇市在江西东北部，西北和安徽省东至县交界，南和万年县为邻，西同鄱阳县接壤，东北倚安徽祁门县，东南和婺源县毗连，居东经11657-11742，北纬2844-2956。年降雨量1763.5毫米，年平均日照时数为.8小时。夏季很炎热，极端最高气温有时会超出摄氏40度。年太阳辐射总量42005000 MJ/，相当于日辐射量3.23.8KWh/。 农村供水工程设计年限通常按1015 年确定，采取太阳能光伏提水系统通常寿命在2530 年。所以设计年限按25 年确定。该村人员较少，大约600多人口，所以人口增加按5考虑，牲畜数量不考虑增加。设计年为2035年，总人口为项目区人数（l12）25 = 设计年总人数，牲畜折合羊单位为200 头（只）。据农村供水工程技术关键点设计用水定额：居民生活用水： 30kg/d；牲畜（折合羊单位）：6kg/头d；居民用水日改变系数1.5。所以每个月需水量约为600000L。扬程通常是指水泵所能够扬水最高度，用H表示。最常见水泵扬程计算公式是：H=(-)/g+(-)/2g+-。其中， H扬程，m；、泵进出口处液体压力，Pa；、流体在泵进出口处流速，m/s；、进出口高度，m；液体密度，kg/m3；g重力加速度，。 依据物探工作结果，该地域潜水面埋深为2.57m 之间，潜水含水层为1325m 之间。依据该地域地下水位埋深较浅和居民居住分散等特征，在该地域布设井深为810m 大口径井，选择扬程较小光伏提水系统，处理该地域人畜饮水问题。所以我们选择扬程为9m。 辅助建筑物：管理房，蓄水池。利用太阳能提水最大不足是阴天和夜间不能工作，为了处理这一问题，设计利用水池蓄水。利用蓄水池能够处理阴天和夜间饮水问题。蓄水池采取钢筋混凝土结构。4.2 选择倾角并修正日照数据 因为整年需水量比较稳定，唯独在夏季时人畜饮用水较多，所以选择纬度角加上10左右倾角最令人满意14。图4.1 光线落在和水平面成一定角度斜面上 落在水平面上直射成份S需要转换成在相对水平面倾角斜面上直射成份，图所表示，所以我们得到式中 是太阳正午时高度。所以由下式给出其中是在南半球时纬度。 以上是在南半球，朝向北太阳能组件，假如在北半球而向南，应该使用，其中是北半球纬度。 所以由公式得出正午太阳高度角大约是71，对应太阳能板倾角就是11。同理由上述公式计算出投射到板面上辐射量平均为572，漫射日照为180。4.3 数据处理 （1）求出和 由上述公式和结论：其中AM=1/sin，所以求得 （2）计算晴天和阴天辐射量（mWh/天） 晴天辐射量为：阴天辐射量为：（3）确定晴天和阴天百分比晴天阴天百分比：其中=572+180=752mWh/，X和Y分别为晴天和阴天百分比，所以由此得出：X=0.86，Y=0.14。 由计算结果得出，每个月有86%晴天，14%阴天。阴天时水泵基础上无法工作，所以能够忽略，从而得到其有效辐射强度： （4）求出光照强度为时泵水时速。晴天日照强度为：其中单位为，是i月份中正午太阳高角度，是太阳能阵列倾角，AM是大气光学质量。将十二个月中全部值平均可求得一个平均值。计算方法以下 （4-1）在该式中要考虑晴天和阴天百分比。图4.2 晴天光照数据和每日峰值光照强度I关系图14 由公式4-1和图4.2可知，将晴天中辐照量转换为一个等同阳光照射时间： （4-2） 这就相当在晴天时，峰值光照强度为，有E个小时辐照时间，日照强度为。而每个月E值为： （4-3）其中i指代某个月 。使用公式4-1，=104。使用公式4-2，使用公式4-3，得出每个月份泵水平均时数为：4.4 水泵选择 由前面需水量计算得出平均每个月需水L，所以，抽水速率（Q）为4.5选择兼容电动机图4.3 适合设计要求离心泵性能表现及其泵水率 由图4.3可知，工作扬程为9m，泵水率为离心泵将需要2300rpm转速。其对应功率P约为125W。扭矩（）能够经过功率P和角速度求出4.6 求出子系统负载曲线 图4.3提供了水泵特征，经过曲线，只要带入水泵功率值就能够确定不一样转速所对应扭矩。 （4-4） （4-5） 由上述两个公式和图4.3读出水泵和电动机效率值，就能够得到下表：表4.1 负载曲线计算值（转速）（角速度）(输入功率)（扭矩）28002932500.8526002722200.8124002511700.6822002301100.482120222890.402100220500.23280075.547.5366.754647260075.047.535.66.454344240074.045.533.35.504041220073.035.525.54.033536212073.021.415.63.44343521000.000.000.002.193233 注：为电动机效率值，为水泵效率值，为光伏阵列必需输出电压。4.7 光伏系统规格图4.5 电流电压曲线对应每日日照数据 由图4.5可知，需要合理选择并搭配太阳能板，确保光伏输出能够达成电动机和水泵系统要求。4.8 电压大小 一个标准太阳能组件在45时，单个组件输出15.5V，这时若串联两个组件，输出电压为31V，串联三个组件输出电压为46.5V。由此能够看出，最大功率点电压不随光照强度改变。选择电压时要考虑接线会损耗2%电压，所以要选择合适组件串联数目。 由公式四和公式五能够得出电动机电压为37V，不过接线损耗，其数值要比电动机高2%。若该系统要正常运行，光伏阵列必需输出电压为38V。4.9 电流大小 当光照强度为（L）时，子系统能够按设计以最高运行效率工作。光照强度能够由以下公式求出：所以，在1光照下，额定最大功率点电流（）为：其中是子系统最高效运行时电机电流。 因为太阳能组件表面有灰尘等杂物会照成大约6%功率损失；日照量和预期有可能不一样，在将输出功率误差算在内，将有10%功率背消耗；伴随系统运行年限增加，系统一些配件老化也会照成约10%额定功率损失。所以要引入定额降低因子（通常认为是0.74）概念，也就是需要增加35%太阳能面积。额定短路电流=，所以当光照强度为时，还是确保了5.2A最大功率点电流。参考文件1 邓波，陈坚，等光伏提水技术研究和应用J中国利，（16）2 热孜望坎吉，赵争鸣光伏水泵系统在中国西部推广应用可行性分析J.能源研究和利用，（5） 3 赵争鸣，刘建政，等太阳能光伏发电及其应用M北京：科技出版社，-10：172-1734 余世杰，刘因，等L利用光伏水泵技术建设大西北J能源工程，15（3）5 谢磊，余世杰，等光伏水泵系统配置优化试验及仿真研究J太阳能学报，30（11）6 王建华，吴季平太阳能应用研究进展J水电能源科学，（4）：26287 杨金焕，等太阳能光伏发电应用技术M北京：电子工业出版社，8 王长贵世界光伏发电技术现实状况和发展趋势J新能源，22（1）：44-489 盛绛，滕国荣，等太阳能光伏水泵在农业方面应用J农机化研究，61（12）10 吴永忠光伏提水技术J内蒙古水利，（02），686911 茆美琴，何慧若一个估算独立光伏水泵系统配置方法J农村能源,1996（01）