便携式高能效光伏扬水系统设计.pdf

2023 年 26 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application便携式高能效光伏扬水系统设计徐昌宸，陶伟*，陈高健，陈玟睿，段名浩，黄声洪，林奇，郑志雄（武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山 354300）伴随着科学技术的发展，地球污染日益加剧，全球气温不断升高，导致全球各地干旱地区的范围不断扩大，农作物的生长也因此受到严重影响，阻碍了社会经济发展。研究表明，干旱地区都伴随着晴天多、云量少、太阳辐射强及日照时间长等特征，并且由于这些地区有着丰富的地下水资源，因此光伏扬水系统就自然成为解决干旱地区农作物灌溉问题的最佳选择。近年来，随着光伏太阳能板技术的不断革新和价格的持续下跌，水泵提水效率的稳步攀升，使得光伏扬水系统得以广泛应用。本文基于之前对光伏扬水系统的研究成果1-6，与太阳能发电技术的研究7-9，加之目前的市场需求与干旱地区的实际环境条件，提出便携式高效能光伏扬水系统，本系统采用太阳能电池最大功率点跟踪 MPPT方法，即根据光照强度动态调节输出频率，据此保证系统以最大功率进行输出，以此来实现将太阳能高效转化为电能的目的，极大地降低了太阳能资源的损耗，相对于传统光伏扬水系统提高了约 18.6%的扬水效率。1系统设计方案本系统主要由 4 部分构成：光伏阵列、智能扬水控制器、光伏水泵、管道和储水系统，其结构组成如图1 所示。光伏阵列可根据不同环境不同需求选择不同的光伏太阳能板组合，此外本系统未有使用蓄电池蓄电而是直接将太阳能转化为电能驱动光伏水泵运作，降低了能源传输过程中的损耗，并且优化了系统结构，相较于传统光伏扬水系统降低了约 20%经济成本，本系统通过智能扬水控制器调节和控制电压、电流，进一步降低了能源损耗且能适应不同的水泵需求，提高了系统整体的适应能力。1.1光伏阵列光伏阵列是光伏扬水系统的能源组件，其最大输出功率受气象条件的影响，比如日照时间和环境温度。因此，本文进行了对太阳能电池 I-V 特性关系曲线的研究，如图 2 所示。太阳能电池最大功率点追踪 MPPT方法的选择降低了气象条件的影响，提高了系统整体的运行稳定性。摘要：长期以来，干旱地区的农业灌溉一直面临缺水问题，制约干旱地区的经济及社会发展。该文设计一款便携式可拆卸且高效的光伏扬水系统，该系统主要由光伏阵列、智能扬水控制器、光伏水泵等组成，利用干旱地区丰富的太阳能资源，直接将太阳能转化为电能驱动光伏水泵采水，采用储水替代蓄电的方法实现高效能转化，可以极大改善光伏扬水系统的能源利用率。关键词：太阳能；光伏扬水；便携；高效；能源利用率中图分类号院TM615文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤26-0120-04Abstract:For a long time,agricultural irrigation in arid areas has been facing the problem of water shortage,which hasrestricted the economic and social development of arid areas.This paper designs a portable,removable,and efficient photovoltaicwater pumping system,which is mainly composed of photovoltaic arrays,intelligent water pumping controllers,and photovoltaicwater pumps.Using the abundant solar energy resources in arid areas,the system directly converts solar energy into electricalenergy to drive photovoltaic water pumps to collect water,and uses water storage instead of electricity storage to achieve efficientenergy conversion,greatly improving the energy utilization rate of photovoltaic water pumping systems.Keywords:solar energy;photovoltaic water lift;portability;high efficiency;energy efficiency基金项目：武夷学院教育教学改革研究重点项目（JG202201）；武夷学院高级引进人才科研启动项目（YJ202001）*通信作者：陶伟（1981-），男，博士，副教授。研究方向为机械工程应用。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.26.027120-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期图 1光伏扬水系统结构示意图图 2太阳能电池的 I-V 特性曲线图在图 2 中，总能够在 I-V 曲线上找到一个工作PM点，这一点就是（MPPT）最大功率点。PM点所对应的电流 IM为绝佳运作电流，VM为绝佳运作电压，PM为极大输出功率，但是当太阳能电池不能运作在最大功率点 PM点时，其运行效率都比这个定义的效率值更低，以至于达到零效率。理论上讲，该光伏太阳能板的最佳工作电压 VM、电流 IM都可以通过对输出功率求导获得，从而得出其最大功率 PM，由于受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，此方程具有非线性，故此求出其解析解几乎无望，其特性也无法用线性方程表示，太阳能电池的 P-V 曲线如图 3所示。图 3太阳能电池的 P-V 特性曲线图因此，在选择光伏阵列太阳能板的同时，不仅需要考虑辐照度、日照时间、最佳倾斜角、安装地点的环境温度和海拔高度等，而且还需要计算光伏阵列的 VO和VM。本系统通过结合武夷山茶园环境与经济成本，选择了 2 块 380 W/47 V 的太阳能光伏阵列板，如图 4 所示。图 4光伏阵列示意图1.2光伏水泵设计在光伏扬水系统中，水泵的效率和工作特性会直接影响到系统整体的运作效率，因此在选择水泵时理应考虑水泵输出的功率 P、扬程 H、流量 Q，除此以外，系统扬程阈值、水泵最小运转频率等都要考虑进去。通过对武夷山茶园灌溉的勘察，平均每 660 m2的土地需要约10 t 的水进行滴灌，且茶园大多为梯田状，水量损失较大，取平均流量 Q 为 2 m3/h 的水泵，初定水泵的扬程 H为 25 m，综合效率 浊 为 0.8，可计算出水泵的功率P=2 000 Q H/（367 浊）=340.6 W。本文根据流量需求和实际扬程，保留一定的扬程冗余度，根据计算结果选择了额定功率 P为 400 W，额定流量 Q 为 2.4 m3/h 和额定扬程 H 为 30 m 的直流潜水泵，水泵参数见表 1。型号额定电压（VDC）/V额定功率/W最大输入电压（VDC）/V最大输入电流/A额定扬程/m额定流量/（m3h-1）FLP30-48-400484005010302.42控制系统设计2.1智能光伏发电系统控制设计光伏水泵控制系统主要由光伏阵列（太阳能发电）、Boost 电路（升压电路，DC/DC）、控制器 DC/DC 和无刷直流电机等构成，如图 5 所示。由于光伏太阳能发电随着太阳辐射的变化而变化，所以太阳能电池不是恒流源，也不是恒压源，而是非线性直流电源，因此需要一个控制系统调节后表 1水泵基本参数表PPMPMVMVOPMIMIscIOVOCVMV光伏电池板智能光伏扬水控制器农业灌溉蓄水池水泵121-2023 年 26 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application才能实现对水泵的平稳控制。为使系统运行效率达到最高，运行状态更具有可靠性，本系统利用基于STM32 芯片的控制电路、升压电路、逆变电路等，再加上采用太阳能电池最大功率点追踪 MPPT 方法，保证了水泵与光伏太阳能电池板相互协作的最高效率和稳定运行。MPPT 控制电路通过与 STM32 集成芯片相结合，并在光伏阵列与 DC/DC 控制器之间加上一个 DC/DC转换 Boost 电路，如图 6 所示。通过控制 Boost 电路中开关器件的导通与关断，即控制开关器件的占空比 琢来改变控制器与无刷直流电机、水泵组成的系统的输入阻抗，使之匹配光伏阵列的输出阻抗，这样就可以使得光伏阵列输出功率稳定在最大功率附近。图 5光伏水泵控制系统结构图图 6MPPT 控制系统基本框图光伏阵列的 MPPT 算法的一个重要环节就是Boost 电路的设计，倘若电路中电感 蕴 与电容 C 的值较大，当可控开关 V 处于接通状态时，电源 E 充电到电感 L 上，与此同时，电容 C 上的电压向负载端 R 供电。当 V 处于断开状态时，因为电感 L 的电流不会突变，此时，电源 E 和电感 L 共同为电容 C 充电并提供能量给负载端 R，实现电压的提高。控制器主要由 3 个功率管与续流二极管组成，如图 7 所示。图 7Boost 电路基本框图本系统设计优化的智能光伏控制器主要由 STM32集成芯片进行集中控制，可在水泵运行过程中采集、监测水泵电机的线电压信息，计算反电动势过零点，从而产生相应的 PWM 波型控制信号，以此来控制功率器件的联通与阻断，进而调控水泵电机的高效运转，智能光伏控制器如图 8 所示。图 8智能光伏控制器智能光伏控制器的控制内容包括：淤Boost 电路中开关器件的联通与阻断控制，并由此控制开关占空比来调节占空比 琢 大小来实现最大功率点跟踪。于基于线电压计算反电动势过零点，并依据反电动势过零点测算转子位置，并产生 PWM 波型控制信号。盂系统程序还包括光伏扬水系统的初始化、I/O 端口的设置、A/D 转换模块、定时器和中断等，中断除了正常的中断程序以外，也包括过流保护等重要保护模块。2.2电机控制系统设计光伏水泵是通过光伏太阳能板提供的动力来进行提水工作，其运行状态受光伏太阳能板的制约，期于使光伏扬水系统运作更加高效稳定，光伏水泵电机也需要进行优化控制。在 PWM 控制技术已经广泛应用的前提下，考虑到光伏扬水系统需求，拣选了电压空间矢量调制法SVPWM 来优化控制光伏水泵电机运作。SVPWM 技术是一种磁链轨迹法，以电动机的磁链圆形轨迹作为控制的目标，进而控制电机的运转。控制效果直观，线路清晰且易于实现。不仅如此，再加上零序电压的注入，降低了合成电压在直流电压中点的峰值，使得直流电机利用直流电的效率提高了约 15.6%，SVPWM 控制结构图如图 9所示。光伏阵列功率PWM负载MPPT 算法Boost 电路DC/DC光伏阵列UVWBoost 电路DC/DC控制器DC/DC无刷直流电机RCVDLEV122-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 26 期图 9SVPWM 控制结构图3实验验证试验位于武夷学院天心湖旁，北纬 27.5毅，光伏阵列采用 2 块 380 W/47V 的太阳能板，选用额定流量2.4 m3/h、额定扬程为 30 m 的直流潜水泵。实验时间为2023 年 3 月 412 日，进行了全天候无间断运行测试，采样周期为 5 min，选取太阳辐射和输出功率的瞬时值为采样点，流量为采样点之间的平均值。虽然春季的日照时间缩短、太阳高度角降低，导致扬水量减少了约17.2%，但还是能达到 20 m3/d 的供水需求，其结果与理论值基本相吻合，本文选择了其中较为具有代表性和象征性的实验测试成果，如图 10 所示。渊c冤不同时刻扬水流量图图 10日运行特性实测结果4结论1）本系统由可拆卸式装置组成，系统组合容易，极易扩容。光伏阵列组件、智能扬水控制器、光伏水泵等既可以单机组合独立使用，也可多机组合形成多机系统，扬水效果可根据需求进行调整，使用便利，安装简易。2）本系统利用太阳能电池最大功率点跟踪 MPPT方法进一步提升了太阳能转化为电能的效率，压缩了蓄电池的使用，进而降低了能源传输损耗，提高了能量传输效率。3）创新性地设计了智能光伏扬水控制器，可根据日照时间动态调整水泵运行，使水泵运作功率接近光伏太阳能电池板的最大输出功率。4）本系统优化了光伏水泵的控制系统，采用SVP原WM 磁链轨迹法，并且增加了零序电压，使得电机在利用直流电的效率方面有所提高，并且在其中增添了低水位防护电路，防止因电机空载造成资源浪费和机器损耗。参考文献院1 薛席.基于光伏供电的提水系统的设计D.淮南：安徽理工大学，2013.2 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术M.北京：化学工业出版社，2005.3 刘钊铭.光伏灌溉水泵系统设计D.大庆：黑龙江八一农垦大学，2019.4 贾自强.光伏水泵系统设计与试验研究D.镇江：江苏大学，2010.5 孟振飞.基于 STM32 处理器的水泵控制系统设计与实现D.西安：西安电子科技大学，2010.6 朱文杰.实用高效光伏水泵的研制D.济南：山东大学，2005.7 吴大中，王晓伟.一种光伏 MPPT 模糊控制算法研究J.太阳能学报，2011，32（6）：808-813.8 薛阳，汪莎.基于扰动观察法的模糊控制应用于光伏发电最大功率跟踪J.太阳能学报，2014，35（9）：1622-1626.9 柴俊，过磊.一种新型光伏水泵无传感器控制系统设计J.中国农机化学报，2016（1）：227-229.MPPTDCDC光伏电池阵列SVPWMDCACM水泵渊b冤不同时刻输出功率图渊a冤不同时刻日照辐射图8006004002000时刻07：3009：3011：3013：3015：3017：30时刻15：3007：3009：3011：3013：3017：302.41.81.20.60时刻07：3009：3011：3013：3017：300.40.30.20.1015：30123-