光伏扬水系统设计与测试

曲　博

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)



光伏扬水系统设计与测试

曲博

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)

以2.2 kWp光伏扬水测试系统为例，利用不同容量太阳能电池组件分别对光伏扬水系统当日出水量进行测试。实验结果表明：光伏组件的最大功率点电压和开路电压选择直接影响到逆变器的正常工作，系统扬程越大，当日累计发电量对当日出水量的影响就越大。

太阳能；光伏发电；扬程

对于缺电无电的边远地区，光伏扬水系统为其提供了供水设施，特别是我国的一些干旱地区，强烈的阳光可以为扬水系统提供充足的动力，实现高经济性和高可靠性的供水。扬水系统全自动工作，不需要人员看管，维护工作量可降至最低，是理想的集经济性、可靠性和环保效益为一体的绿色能源高技术产品。只要有水源，光伏扬水系统就能将水提高到需要用水的位置，是干旱中解决抽水问题的有效技术手段，与柴油机抽水相比具有故障率低、无需职守、安全可靠、长期运行费用低等优点。

1　设计方案

1.1光伏扬水系统组成

系统主要由4部分组成：光伏阵列、光伏水泵逆变器、水泵、管道和储水系统。

1)光伏阵列。由多块太阳能电池组件组串构成，其吸收日照辐射能量并将其转化为直流电，为整个系统提供动力来源。

图1　光伏扬水系统组成

2)光伏水泵逆变器。将光伏阵列输出的直流电转换为交流电并驱动水泵。

3)水泵。常规的为交流水泵和直流水泵，是将电能转换成机械能再到水势能的核心部件。

4)管道和储水系统。为整个系统提供水传输途径和水势能存储，为后级供水系统提供合适的承压能量。

1.2系统设计

设计项目为2.2 kWp光伏扬水测试系统。扬水逆变器对系统的运行实施控制和调节，将光伏电池组件发出的直流电转化为交流电，驱动水泵并根据日照强度的变化实时地调节输出频率，实现最大功率点(MPPT)输出。水泵由三相交流电机驱动，从深井水源中抽水，注入蓄水池，或者直接接入灌溉系统以及喷泉系统等。

图2　光伏水泵系统原理

2　系统部件的选择

2.1光伏阵列的选择

以100 m3/d为单元，通过灵活的组合方式，根据水坝所需建设灌溉系统的需求进行搭配。光伏阵列是光伏扬水系统的电源部分，其具有较强的非线性特征，最大输出功率受日照和环境温度等气象条件影响较大，所以选择不同规格的电池板组建光伏阵列时，需要考虑安装地点的日和年辐照度、光照时间、最佳倾斜角、环境温度、海拔等情况，同时计算光伏阵列的Voc(组串后的开路电压)和Vmp(组串后的最大功率点)，使其均在逆变器标称的范围内，系统选用225 W/33 V组件18块，共4.05 kW。

2.2光伏水泵逆变器的选择

在光伏扬水系统中，水泵逆变器(对于交流系统为水泵逆变器)作为核心部件，应具有如下性能和功能：

1)具备MPPT功能，即可实时检测并控制光伏阵列输出特性，使之按照最大功率方式发电；水泵逆变器能有效控制水泵(马达和叶轮系统)进行变频变压，即V/F控制，使系统输出功率随光照变化并在启动时平缓、无冲击。

2)水泵逆变器需对外围设备进行管理和信息交互，构建控制和保护功能，如与直流汇流箱、流量计、水源水位传感器、储水装置的水位传感器、辐照度计等装置进行通讯；可自动运行、无人值守、远程监控。

由于马达和叶轮系统组成的扬水系统一般会有30%的效率损失，因此水泵逆变器的过载能力也是重要指标。考虑到安装成本和维护方便，逆变器应选择室外型，即IP65防护等级；同时考虑系统寿命和可靠性，尽量选择逆变器的散热系统为无风扇自冷散热方式，以提高核心部件的抗污染等级和对恶劣的环境适应性；系统采用3.7 kW/380 VAC光伏水泵逆变器，具体参数如表2所示。

表1　太阳能组件参数

2.3光伏水泵的选择

在光伏扬水系统中，水泵是核心部件，其效率和工作特性直接影响光伏系统的效率。水泵选型需要考虑的参数有：1)输出的功率P；2)扬程H；3)流量Q。在设计时，依据需求流量Q查找对应的扬程H以及对应的水泵输出功率。对于光伏水泵而言，其工作频率会随着光伏阵列输出功率变化而变化，功率也会随之变化，所以还要考虑系统扬程阈值和水泵最小运行频率。

选用2.2 kW光伏水泵，具体参数如表3所示。

表2　3.7 kW光伏水泵逆变器参数

表3　2.2 kW光伏水泵参数

3　实例分析

在4.05 kW光伏组件基础上，分别加大组件容量，与7.2 kW、6.3 kW光伏组件进行实验对比。经测试，当光伏组件接入功率为7.2 kW、6.3 kW、4.05 kW时，系统都可以满足水泵的正常工作。

将水泵置入井下约60 m，井水面深约16 m。为进一步精准实验数据，试验选用了不同厂家2款潜水泵，如图3所示，经试验数据对比，2款水泵出水量差异不大。

图4为当日累计发电量与当日出水量的关系图，水泵出水口离地面高约20.3 m，扬程约为36.3 m。

图3　不同型号的潜水电泵

图5为出水口置于地面高约0 m处，其扬程约为16.0 m的当日累计发电量与当日出水量关系图。10月8日至10月13日，光伏组件接入功率为7.2 kW。10月14日，光伏组件接入功率为6.3 kW。10月16日至10月24日，光伏组件接入功率为4.05 kW。

图6为出水口置于地面高约0 m处，扬程约为2.5 m的当日累计发电量与当日出水量关系图。由图可看出，扬程越大，当日累计发电量对当日出水量的影响就越大。

表4实验测试数据附表

图4　出水口20.3 m，扬程36.3 m的当日累计发电量与出水量关系

图5　出水口0 m，扬程16 m的当日累计发电量与出水量关系

图6　出水口0 m，扬程2.5 m的当日累计发电量与出水量关系

4　结　论

1)由图5可以看出，光伏组件接入功率为7.2 kW、6.3 kW、4.05 kW时都可以满足水泵的正常工作，并且水泵的工作情况和当日出水量情况基本一致。

2)光伏组件接入功率为4.05 kW时，出现了3次逆变器停机再启动循环的情况，说明光伏组件的最大功率点电压和开路电压对系统的影响有直接联系，需要进一步测试检验。

3)扬程越大，当日累计发电量对当日出水量的影响就越大。

[1]李安定.NB/T32017-2013太阳能光伏水泵系统[S].北京：中国电力出版社,2014.

[2]鞠振河.太阳能光伏照明技术规程[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2009.

[3]余世杰,何慧若,苏建徽.光伏水泵系统[J].太阳能，2000(3):22-24.

[4]刘婕,鞠振河,郭琳琳.基于10年工作期光伏组件发电状况的研究[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2015，11(1)：14-18.

(责任编辑佟金锴校对魏静敏)

DesignandTestonSolarPhotovoltaicPumpingSystem

QUBo

(SchoolofRenewableEnergy,ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang110136,LiaoningProvince)

Inthisarticle,thedailywateryieldofthesolarphotovoltaicpumpingsystemwastestedbytheexampleofa2.2kWpsolarphotovoltaicpumpingtestsystemundervarioussolarenergybatterycomponentswithdifferentcapacities.ContrastexperimentresultsshowthatthevoltageofmaximumpowerpointofsolarPVmodulesandopencircuitvoltageselectiondirectlyaffectthenormalworkoftheinverter,andthehigherthesystempumplifts,thegreatertheinfluenceofthetotalgeneratingcapacityonthedailywateryieldis.

solar;generatingcapacity;pumpingtest

2016-01-13

曲博(1982- )，女，辽宁沈阳人，工程师。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.03.002

TM615

A

1673-1603(2016)03-0197-04