光伏发电扬水蓄能监测系统试验研究

高林朝， 谢 毅， 郝庆英， 贺立三， 胡国华，赵严初， 贾 兵， 田 悦

（1.河南省科学院能源研究所有限公司，郑州 450008； 2.河南裕华建设安装工程有限公司，郑州 450053）

随着太阳能电池转化效率提高和光伏组件成本的降低，光伏水泵系统得到了快速发展并进入产业化规模化推广应用阶段［1-5］. 光伏水泵系统是一种利用半导体p-n结将太阳能直接转换为电能，然后驱动电机带动水泵从深井或江河湖泊中实现提水的系统，由于较常规柴油机水泵系统一系列技术经济优势，在解决偏远无电缺水地区人畜饮水和农田灌溉用水方面，具有明显的经济社会和生态环境意义［6-7］. 目前对光伏水泵系统技术研究集中在系统配置、性能预测和系统评价优化等方面研究［8-10］，该类研究大多着重于单一系统供给项下的分析，系统配置一些是光伏组件容量0.1～0.5 kW，水泵功率小，抽水量只能用于花草绿地小面积喷灌滴灌；而另一些是为了满足农田浇灌用电建造的容量100 kW以上光伏独立电站，虽然可满足大功率水泵工作条件，但成本高，占地面积大，而且系统安装为固定形式，其应用地域范围和使用范围受到限制，致使整套系统年利用率较低，经济效益欠佳. 另外，现有的农田灌溉、照明、作物生长监测等田间管理大多处于相互独立分散运行状态，各自工作时段重叠，功能单一，重复设置，不能适宜现代农业信息化发展要求，可靠性和实用性方面尚不能解决田间管理综合用能需求.

为此，本研究提出了一种移动式光伏发电扬水蓄能照明监测集成应用技术，并在河南地区进行了试验研究，该装置在光伏水泵扬水、照明、作物生长信息采集通信等方面作为蓄能备用电源，适用于田间灌溉、花园种植、照明和信息监测需要.

1 系统的基本构成

光伏扬水蓄能照明综合应用系统构成如图1所示. 系统由光伏阵列、MPPT 控制器、DC/AC逆变器、电机水泵、充/放电控制器和蓄电池组组成. 当光照较强时，系统可以自动地利用光伏阵列的输出电能带动电机和水泵进行提水. 当阳光较弱时，系统将自动地转变为蓄电池组充电，供照明和通信系统使用.

图1 光伏扬水蓄能系统测试示意图Fig.1 Test diagram of PV pumping and electricity storage system

1.1 光伏方阵

光伏方阵由太阳电池组件串并联而成，其吸收日照辐射能量并将其转化为直流电，直接为系统提供动力电能. 太阳能电池通常是由半导体材料制成，用于光伏水泵系统的太阳电池多为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池，光伏水泵系统所配用的光伏阵列容量往往在数百Wp至数十kWp之间［11］. 光伏方阵的输出伏-安特性曲线具有和单体太阳电池同样的非线性，而且和日射强度、环境温度等气象条件有关［12］.

1.2 MPPT 控制器

由于光伏方阵的输出伏-安特性曲线具有强烈的非线性，其输出为随日照而变化的直流电，而作为光伏阵列负载的光伏水泵，它的驱动电机有时是直流电机，有时是交流电机，甚至还有其他新型电机，它们同样具有非线性性质［13］. 为保证方阵在任何日照和环境温度下都将提供相应可能的最大功率输出，必须引入最大功率跟踪控制，即最大功率点跟踪器（Maximum Power Point Tracker，MPPT）［14］. 控制器主要工作内容是：检测主回路直流侧电流电压，计算出太阳电池阵列的输出功率，同时发出控制信号完成在变频调速过程中对阵列输出最大功率的跟踪；实现一些特殊保护功能，如过电压、过负荷、过低负荷、欠电压、井水打干及停机后在各种条件下的自启动等［15-17］.

1.3 DC/AC逆变器

逆变器是将光伏方阵通过最大功率点跟踪以后输出的直流电转换为交流电并驱动水泵，具备逆变和MPPT功能，用于控制水泵转速［18-20］. DC/AC逆变器在光伏系统中是必不可少的部件.

1.4 电机和水泵

常规的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. 在不同系统中使用的驱动电机也不同，为获得尽可能高的系统效率，在大型光伏水泵系统中，目前以采用三相交流异步传动方式为主［21］. 对于光伏水泵系统而言，水泵类型的选择至为重要. 一般情况下，小流量、高扬程的场合通常选用容积式正位移水泵，较大流量、扬程较高的场合多选用离心泵［22］. 在进行电机设计时要充分考虑到光伏水泵系统变频运行、负载率早晚变化较大等特点，要力争做到使电机全日、全年的总平均效率最高［23－24］.

1.5 储能系统

储能系统是由充/放电控制器和蓄电池组构成. 当太阳能光照强度减少到一定强度时，光伏阵列的最大输出功率已经无法继续驱动水泵抽水，主控制器将检测到的控制信号输给充/放电控制器，从而对蓄电池组进行充电［25］. 太阳能光伏方阵所发电能采用扬水优先或充电优先两种能量管理策略［26］.

2 光伏水泵系统扬水与蓄能试验研究

2.1 系统配置与试验装置结构参数

2.1 kW光伏发电扬水蓄能监测综合系统测试试验平台（见图1所示）.

其系统具体配置参数如下：光伏方阵选用150 W/17.5 V 多晶硅光伏组件14块，总标称功率2.1 kW. 方阵呈正南朝向安装，倾角37°；光伏泵采用SJ5-12不锈钢高效三相潜水型，电机功率1.1 kW，自动变频，三相220 V，出水量范围3～5 m3/h. 现场实测扬水高程24.8 m；逆变器JNP1K1L，最大电机输出功率1.1 kW，三相输出端电压交流220 V，最大逆变效率97%，输出频率范围0～50 Hz，MPPT电压范围150～400 V；蓄水池配置不锈钢保温水箱，外形尺寸为1700 mm（外径）×2600 mm（高），总容积5 m3，用于存储试验用给水量；高位水箱容积200 L，放置于设定扬程24.8 m处. 太阳能电池组件、光伏水泵和蓄电池充放电控制器等技术参数分别如表1、表2所示.

表1 太阳能电池组件和光伏水泵技术参数Tab.1 PV modules and pump configuration parameters

表2 蓄电池充放电控制器和胶体蓄电池技术参数Tab.2 Charge controller and colloid battery performance parameters

2.2 试验仪器

太阳辐射测量由TMR-ZS1A气象生态环境监测仪完成，太阳辐射值测试精度±5%，分辨率为1 W/m2，测温精度为±0.1 ℃，显示分度0.1 ℃；超声波流量计TUF-2000E-TS-2-HT-PT100，尺寸为45 mm×25 mm×32 mm，测量管径DN15～DN100，测量精度±0.1%，测量范围0～±10 m/s，外夹式探头用V 形法置于泵出口稳流满管段，水平安装距离＞10D；光伏组件功率衰减采用PV900 便携式太阳能I-V 测试仪测试，最大功率测试范围为50 W～10 kW，最大功率测试重复性±1%，转换到STC下最大功率准确性±5%，电压测试精度0.1 V，电流测试精度0.001 A，温度测试精度±1 ℃，辐照度测试范围0～1800 W/m2，测试精度＞±3%；HT304手持式激光测距仪，UT243钳形谐波功率计，UT204数字钳形万用表.

2.3 试验方法

测试时间为2019年05月—2020年6月，测试地点为郑州市. 试验期间，分别对逆变器、蓄电池充放电一体机和光伏泵运行状态参数进行监测，记录了发电功率、日发电量、瞬时流量、流速、日扬水量，以及各输入输出电压、电流、频率等. 系统启闭每日采用人工调节方法. 所有太阳辐射值、环境温度、风速值等每隔10 min自动记录存储数据；逆变器和充放电控制一体机的功率、电压、电流、频率等运行参数对应10 min间隔人工读取记录；光伏水泵流量采用流量计每隔10 min 自动记录存储数据；测试方法参照GB/T 19064—2003（家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法）和NB/T 32017—2013（太阳能光伏水泵系统）；光伏组件功率衰减测试方法参照晶体硅光伏方阵I-V特性的现场测量GB/T 18210—2000和并网光伏电站性能检测与质量评估技术规范CNCA/CTS 0016—2015.

2.4 结果分析

2.4.1 光伏组件功率衰减测试 由于搭建的光伏扬水蓄能试验平台采用了前期既有的光伏发电系统（2015年安装使用），组件功率长期运行存在衰减，为此，需对实际功率进行核验. 光伏组件功率衰减率是光伏组件初始STC标称功率与评估时实测修正STC标称功率之差与光伏组件初始STC标称功率的比值. 对现场安装的14块光伏组件进行测试，检测选定且清洗干净的每一块组件的I-V曲线，同时记录光强和组件温度. 修正到STC条件，同标称功率比较，得到光伏组件功率衰降率. 根据现场实际测试数据计算结果如图2所示，IV1、IV2、IV3、IV4、IV5 和PV1、PV2、PV3、PV4、PV5 分别为5 块组件实测I-V 曲线与P-V 曲线；IVSTC1、IVSTC2、IVSTC3、IVSTC4、IVSTC5和PVSTC1、PVSTC2、PVSTC3、PVSTC4、PVSTC5分别为5块组件实测修正到STC条件下的I-V曲线与P-V曲线.

图2 光伏组件功率衰减测试曲线Fig.2 PV module power attenuation curves

由图2可知，抽检的5块组件功率衰减率平均-12.5%，年均衰减3.1%，基本符合《光伏制造行业规范条件（2015年本）》对多晶（单晶）组件首年功率衰减≤2.5%（3.0%），后续每年衰减在前一年的基础上增加0.7%的规范要求. 故此，标称150 W光伏组件14块的实测功率仅为1.837 5 kW.

2.4.2 日发电量与扬水量特性 选取2019年10月29日全天运行状态实测结果，采样周期为10 min，太阳辐射强度与输出功率为采样点的瞬时值，流量为采样点之间的平均值. 实测日照功率分布曲线和水泵流量曲线如图3 所示. 测试当天为晴天，环境温度24～29 ℃，空气质量PM2.5为56 μg/m3，平均风速0.77 m/s，日出日落时间为06：43—17：35.

图3 太阳辐射功率分布与水泵流量曲线Fig.3 The curves of solar radiation power distribution and pump flow

从图4可以看出，在初始和终了时段，光伏方阵发电功率输出较小，但扬水效率较大，其最大扬水效率达12.7%；在当日10：25—13：45稳定运行时段，光伏方阵发电功率基本不变化，扬水效率保持稳定不变，表明光伏水泵在此定扬程下出力达到最大，全天平均扬水效率11.1%. 若要提高扬水效率，可考虑适当减低扬程.

图4 流量—效率特性及光伏系统发电功率曲线 Fig.4 The curves of Flow-efficiency characteristics and PV system power generation.

2.4.4 光伏方阵日发电量与蓄电池储电量占比分析 由于光伏水泵系统的特性，导致光伏组件的能量在光照强度良好的早晨、中午和傍晚三个时段，都存在能量浪费的情况. 当光照强度较强时，光伏水泵系统可以正常抽水，而光照强度较弱时，即光伏阵列输出功率小于某一值时，系统将无法继续驱动水泵抽水. 但光伏阵列仍将输出一定功率的电能. 利用光伏水泵和照明综合系统可以有效地利用光照较弱时的电能为蓄电池组充电，一方面解决了照明问题，另一方面节约了能源［29-31］. 如图5所示，阴影部分所示电能可通过光伏高压充放电控制器与光伏水泵逆变器互补使用，将图中阴影部分的能量存储在蓄电池中，再通过控制器放电用于田间照明、作物生长监测通讯等直流负载加以利用，极大提高了光伏组件的能量利用率.

图5 日发电量曲线图Fig.5 The curve of daily power generation

测试日上午06：43—09：05为蓄电池充电时段，光伏泵不启动运行，到09：05时，光伏泵自启动运行. 到16：45时，光伏泵停止运行，下午16：45—17：50为蓄电池储能时间. 中午11：25—13：15太阳辐照量高峰时段为水泵扬水和蓄电池充电同时运行时间，也即定扬程下水泵扬水稳定运行所需发电功率在1200～1300 W之间，当光伏方阵发电功率大于1300 W时，超出部分即为盈余量，可用来同时为蓄电池充电储能，当日盈余功率范围为1300～1349 W. 三个时段提供的蓄电池充电储能量合计0.47 kWh，约占当日光伏方阵全天发电量8.4 kWh的5.6%左右，在该定扬程下用于蓄电池充电储能的占比较低，说明泵扬程设定过大，可适当减低扬程以进一步提高电能利用率.

3 结论

通过对光伏发电扬水蓄能系统结构分析及其输入输出特性试验研究，得到以下结论：

1）搭建了光伏发电扬水蓄能照明综合系统试验平台. 依据试验装置结构参数及太阳辐照量和温度条件，对系统日发电量与扬水量特性、光伏泵系统扬水效率特性和光伏方阵日发电量与蓄电池储电量以及组件功率衰减情况进行了测试分析.

2）在定扬程24.8 m下，测试日光伏泵全天扬水量随日照时间的延长而增加，太阳能平均辐照功率533.4 W，日出水量达13.1 m3，平均每小时出水1.93 m3；系统最大扬水效率达12.7%，平均扬水效率11.1%；全天三时段蓄电池充电储能0.47 kWh，约占光伏方阵全天发电量8.4 kWh的5.6%左右，在该定扬程下用于蓄电池充电储能的占比较低，可适当减低扬程以进一步提高电能利用率；系统采用多晶硅光伏组件功率年均衰减不大于3.1%，符合规范要求.

3）该光伏发电扬水蓄能系统试验研究结果，可用于光伏水泵扬水蓄能系统优化配置，而对当地气象数据要求不高，工程计算简化，对利用太阳能光伏水泵系统解决无电地区农牧民人畜饮水与农田灌溉问题等具有一定的实用价值.