光伏水泵系统设计

摘 要

光伏水泵系统是光伏技术的主要应用之一。光伏水泵可广泛应用于众多领域，偏远地区用水、灌溉、蓄电等。它具有无污染、少维修、不消耗其他能源等优点，得到人们的充分肯定。本论文主要的研究内容和结论如下：

（1）讲述光伏水泵的原理，分析了泵站设计的一般要求和技术要求。

（2）泵站建设的条件分析和性能参数如扬程、流量的设计。

（3）光伏水泵的设计方案，包括日照数据处理、光伏组件的特性分析计算、电流电压的大小确定等。

在设计一个光伏水泵系统时有两个很重要的原则，一是选用最合适的系统配件，二是系统配件间达到最佳匹配。

【关键词】光伏水泵；性能参数；扬程

目录

第1章 绪论 . ............................................................................................................................. 1

第2章 光伏水泵简介 . ............................................................................................................. 2

2.1光伏水泵的概述 . ................................................................................................................ 2

2.2光伏水泵的背景 . ......................................................................................................... 2

2.3光伏水泵的意义 . ......................................................................................................... 2

第3章 水泵系统 . ..................................................................................................................... 4

3.1系统组成及工作原理 . ................................................................................................ 4

3.1.2变频器主电路及硬件构成 . ............................................................................ 4

3.1.3 DC／DC 升压电路简述 . .................................................................................. 5

3.2 光伏水泵最大功率点跟踪(MPPT)设计 . ................................................................... 6

3.3 系统的保护功能设计 . ............................................................................................... 7

3.4光伏水泵系统的几种结构形式 . ................................................................................ 8

第4章 光伏水泵系统设计 . ..................................................................................................... 9

4.1 需水量计算 . ............................................................................................................... 9

4.2 选择倾角并修正日照数据 . ..................................................................................... 10

4.3 数据处理 . ................................................................................................................. 10

4.4 水泵的选择 . ............................................................................................................. 12

4.5选择兼容的电动机 . .................................................................................................. 13

4.6 求出子系统的负载曲线 . ......................................................................................... 13

4.7 光伏系统的规格 . ...................................................................................................... 14

4.8 电压大小 . ................................................................................................................. 14

4.9 电流大小 . ................................................................................................................. 15

参考文献 . ................................................................................................................................. 16

Abstract

Photovoltaic 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，主要由光伏扬水逆变器和水泵组成。具体应用时，再根据不同扬程和日用水量的需求配以相应功率的太阳能电池阵列，统称为光伏扬水系统。 光伏水泵利用来自太阳的持久能源，日出而作，日落而歇，无需人员看管，不需要柴油、不需要电网，可与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本。是全球“粮食问题”、“能源问题”综合系统解决方案的新能源、新技术应用产品。太阳能水泵与常规柴油抽水系统相比具有以下优点： 光伏电源用到的运动部件、零件少，不会对使用者造成伤害。

所用到能源来源于太阳能，因此不产生废水、废气等有害物质，利于环保。

安装维护简单，可以实现无人值守。

具有较高的兼容性，可以与其他能源配合使用。

从能源角度看，太阳能用之不竭，其应用面广。

但是也有它的缺点，比如前期资金投入比柴油机抽水系统高；使用的太阳能能量分散，间歇性大等【2】。

光伏水泵系统，这种新兴、环保、节能的光伏应用技术，毫无疑问，将对发展干旱少雨地区的现代农业带来巨大的经济效益和社会效益，它符合节能减排、环境友好的社会发展战争略。

近年来，随着全球“粮食问题”、“能源问题”的严重性不断提升，逐步被誉为解决有效耕地提高产量和用清洁能源替代化石能源的最为有效产业整合产品。成为把光伏产业与农业水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等传统产业综合发展的新兴经济模式。

第2章 光伏水泵简介

2.1光伏水泵的概述

光伏水泵大多由能量系统、控制系统、泵系统及连接管线构成。能量系统由太阳能电池板组件或配以蓄电池构成，控制系统分直流与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，泵系统主要由泵体与电机构成。

水泵一般多以泵的结构和作用原理来分类，有时根据需要也按使用部门、用途、动力类型和泵的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光伏水泵的背景 光伏水泵技术涉及到的学科领域比较多，从系统构成的角度看，它不同于常规的“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的综合。我国清华大学、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的科研院所在国家科委、国家科委、国家经贸委以及原机械工业部的支持下的科技攻关计划，目前已经达到了可以批量产业化生产的程度，其技术水平已经可和国外发达国家的产品水落石出平相媲美。从经济性的角度看，光伏水泵的运行成本已经证明大大低于柴油机水泵，由于近两年来国内外半导体太阳电池的不断降价，使光伏水泵相对于柴油机水泵的水价优势更加令人瞩目。除此之外，它还具有无人值守、高可靠性、和农作物的水蒸发量适配性好等到物有的优点。

2.3光伏水泵的意义 21世纪中国经济建设的战略重点将移向大西北，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区，农业、牧业也将把西北地区作为俦发展地区。 西北地区大部分是我国的边远地区和少数民族聚居地区。由于自然条件差，历史上汉族与少数民族之间的不平等，西北地区的社会发展一直落后于东部地区，加快发展西北地区的经济，消除贫困，对于稳定和平衡发展具有重要意义。

西北贫困地区的首要问题是水的问题。在西北一些严重干旱地区，至今连饮水问题都还没有彻底解决，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。应用光伏水泵对于解决这些贫困地区的饮用水和农牧业用水具有特别重要的意义。

由于人为破坏和不合理开发活动，使本来就很脆弱的生态环境日益恶化，水上流失、森林减少、土地沙化、盐碱化、荒漠化、物种减少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的生态环境都有极其重要的意义。

西北地区水资源可以满足需要水资源是指可更新补充可永续利用的淡水资源，属于可再生资源。水资源总量包括河川面只的32%,水资源为全国的8%,因此从总体上看西北地区水资源非常贫乏. 二是地下水资源相对丰富, 地下水在水资源总量口的比例高达45%,因此在西北地区水资源中, 地下水占有十分重要的地位。三是地下水资源大部分分布在山前平原地带，主要如祁连山、天山、昆仑山山前地带。对这些地带而言，地下水资源

是丰富或比较丰富的。而这些地带正是可耕土地和人口集中分布的地带，是主要经济带。 应用光伏水泵和节水灌溉技术可以在沙漠中大面积植树造林，大大提高造休成活率，促进三6北防护林建设。扩大41M 面积和人工草地面积，可以防止土地退化、沙化将为减入显著。大于20年的费用2万圆，按照20年算的效益更加显著。

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DC ／DC 升压，和具有TMPPT 功能的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，完成向水塔储水功能。其中主要包括4部分：太阳电池阵列；具有TMPPT 功能的变频器；水泵负载；储水装置。

3.1.2变频器主电路及硬件构成

本系统所采用的主电路及硬件控制框图如图2所示。主电路DC ／DC 部分采用性能优越的推挽正激式电路进行升压；DC ／AC 部分采用三相桥式逆变电路。主功率器件采用ASIPM （一体化智能功率模块）PS12036，系统控制核心由16位数字信号控制器dsPIC30F2010构成。外围控制电路包括阵列母线电压检测和水位打干检测电路。系统首先通过初始设置的工作方式和PI 参数工作，然后由MPPT 子程序实时搜索出的电压值作为内环CVT 的给定，通过PI 调节得到工作频率值，计算出PWM 信号的占空比，实现光伏阵列的真正最大功率跟踪(TMPPT)，并保持异步电机的V ／f 比为恒值。系统将MPPT 和逆变器相结合，利用ASIPM 模块自带的故障检测功能进行检测和保护，结构简单，控制方便。

3.1.3 DC／DC 升压电路简述

对于中小功率的光伏水泵来说，光伏阵列电压大都是低压(24v、36v 、48V) ，对于升压主电路的选择，人们一般选择推挽电路，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，因此比较适合输入电压较低的场合。但是偏磁问题是制约其应用的一大不利因素，功率管的参数差异和变压器的绕制工艺都有可能使推挽电路工作在一种不稳定状态。基于诸多因素的考虑，本系统采用了结构新颖的推挽正激电路，此电路拓扑不仅克服了偏磁问题，而且闭环控制也比较容易(二阶系统) 。

推挽正激电路如图2所示，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具有相同的匝数，同名端如图2所示。当S1及S2同时关断的时候，电容C8两端电压下正上负，且等于阵列电压，当S1开通，S1、N2和光伏阵列构成回路，N2上正下负，同时C8、N1和S1构成回路，C8放电，N1下正上负，此时的工作相当于两个正激变换器的并联。同理，当S2开通S1关断时，也相当于两个正激变换器的并联。经过理论分析，推挽正激电路是一个二阶系统，因此闭环控制简单，同时输出滤波电感和电容大大减小。

Microchip 公司通过在16位单片机内巧妙地添加DSP 功能，使Microchip 的dsPIC30F 数字信号控制器（DSC ）同时具有单片机（MCU ）的控制功能以及数字信号处理器（DSP ）的计算能力和数据吞吐能力。因为它具有的DSP 功能，同时具有单片机的体积和价格，所以本系统采用此芯片作为控制器。此芯片主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正等。dsPIC30F2010管脚示意如图3所示。

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)方式的特点与不足

CVT 方式可以近似获得太阳电池的最大功率输出，软件上处理比较简单。但实际上日照强度和温度是时刻变化的，尤其是在西部地区，同一天中的不同时段，温度和日照强度变化都相当大，这些都会引起太阳电池阵列最大功率点电压的偏移，其中尤以温度的变化影响最大。在这种情况下，采用CVT 方式就不能很好地跟踪最大点。

3.2.2TMPPT 的原理与实现

为克服CVT 方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟踪”控制，即保证系统不论在何种日照及温度条件下，始终使太阳电池工作在最大功率点处。由于逆变器采用恒V ／f 控制，故水泵电机的转速与其输入电压成正比，因此，调节逆变器的输出电压，就等于调节了负载电机的输出功率。故本系统采用TMPPT 方式使太阳电池尽可能工作在最大功率点处，为负载提供最大的能量。 由太阳电池阵列的特性曲线见图4可知，在最大功率点处，dP ／dv=O，在最大功率点的左侧，当dP ／dV>O时，P 呈增加趋势，dP ／dVO时，P 呈减少趋势，dP ／d v

图5为TMPPT 型最大功率点跟踪控制框图。系统的输入指令值为0，反馈值为dP ／dV ，假定Z3状态为+1，则Usp*指令电压增加，经CVT 环节调整，系统的输出电压V 跟踪Usp*增加，采样输出电流I ，经功率运算环节和功率微分环节，获得dP ／dV 值，

如dP ／dV>0，则Z1为+1，Z2为+1，Z3为+l，Usp*指令电压继续增加。如dP ／dV

本，并进一步优化了外围电路。

3.3 系统的保护功能设计

（1）过流和短路保护功能 由于ASIPM 的下臂IGBT 母线上串有采样电阻，所以通过检测母线电流可以实现保护功能。当检测电流值超过给定值时，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 脉冲进一步保护后级电路。

（2）欠压保护功能 ASIPM 检测下桥臂的控制电源电压，如果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 的门极均不接受外来信号。

（3）过热保护功能 ASIPM 内置检测基板温度的热敏电阻，热敏电阻的阻值被直接输出，dsPIC 通过检测其阻值可以完成过热保护功能。

以上保护是利用了ASIPM 自身带有的功能，无须外加电路，进一步简化了硬件电路设计。系统除了具有上述保护功能外，还具有光伏水泵系统特有的低频、日照低、打干(自动和手动打干) 等保护功能。对于泵类负载，当转速低于下限值时，光伏阵列所提供的能量绝大部分都转化为损耗，长期低速运行，会引起发热并影响水泵使用寿命，因此，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，若不采取措施，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式，故系统为了增加检测可靠性，采用了自动打干和手动打干两种识别方式，其中，自动打干是根据系统输出功率和电机工作频率来进行判别；手动打干则是通过水位传感器识别当前水位高低来实现的。由于低频、日照低、打干等功能都是由软件来完成，不须增加硬件电路，故系统结构简单。

3.4光伏水泵系统的几种结构形式

图3.2

为无人值守交流光伏水泵系统，适合微小供水场合，专门用于供水。

图3.2 微型供水系统

图3.3所示的体统具有多种用途，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，能满足无电用户的用电需求。

图3.3 多种用途供水系统

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的人畜饮用水。景德镇市位于江西东北部，西北与安徽省东至县交界，南与万年县为邻，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116°57′-117°42′，北纬28°44′-29°56′。年降雨量1763.5毫米，年平均日照时数为2009.8小时。夏季非常炎热，极端最高气温有时会超过摄氏40度。年太阳辐射总量4200～5000 MJ/㎡，相当于日辐射量3.2～3.8KWh/㎡。

农村供水工程的设计年限一般按10～15 年确定，采用太阳能光伏提水系统一般寿命在25～30 年。所以设计年限按25 年确定。该村人员较少，大概600多人口，所以人口增长按5‰考虑，牲畜数量不考虑增长。设计年为2035年，总人口为项目区人数×（l ＋12‰）25 = 设计年总人数，牲畜折合羊单位为200 头（只）。据《农村供水工程技术要点》设计用水定额：居民生活用水： 30kg/d；牲畜（折合羊单位）：6kg/头·d ；居民用水日变化系数1.5。所以每月需水量约为600000L 。扬程通常是指水泵所能够扬水的最高度，用H 表示。最常用的水泵扬程计算公式是：H=(p 2-p 1)/ρg+(c 2-c 1)/2g+z 2-z 1。 其中， H ——扬程，m ；p 1、p 2——泵进出口处液体的压力，Pa ；c 1、c 2——流体在泵进出口处的流速，m/s；z 1、z 2——进出口高度，m ；ρ——液体密度，kg/m3；g ——重力加速度，m /s 2。

根据物探工作的结果，该地区潜水面的埋深为2.5～7m 之间，潜水含水层为13～25m 之间。根据该地区地下水位埋深较浅和居民居住分散等特征，在该地区布设井深为8～10m 的大口径井，选择扬程较小的光伏提水系统，解决该地区的人畜饮水问题。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的不足是阴天和夜间不能工作，为了解决这一问题，设计利用水池蓄水。利用蓄水池可以解决阴天和夜间的饮水问题。蓄水池采用钢筋混凝土结构。

4.2 选择倾角并修正日照数据

因为全年的需水量比较稳定，唯独在夏季时人畜饮用水较多，所以选择纬度角加上10°左右的倾角最令人满意[14]。

图4.1 光线落在与水平面成一定角度的斜面上

落在水平面上的直射成分S 需要转换成在相对水平面倾角β的斜面上的直射成分

s β，如图所示，所以我们得到

s β=s sin (α+β) /sin α

式中 是太阳正午时的高度。所以由下式给出

α=900-θ-δ

其中θ是在南半球时的纬度。

以上是位于南半球，朝向北的太阳能组件，如果位于北半球而向南，应当使用

α=900-θ+δ，其中θ是北半球的纬度。

δ=arcsin ⎨sin ε⋅sin ⎢

⎩

⎧

⎡(d -81)360⎤⎫⎡(d -81)360⎤

≈εsin ⎬⎥⎢⎥365365⎣⎦⎭⎣⎦

所以由公式得出正午太阳高度角大约是71°，相应的太阳能板倾角就是11°。同理由上述公式计算出投射到板面上的辐射量平均为572，漫射日照为180。

4.3 数据处理

（1）求出I s 和I c

由上述公式和结论：I s =1.353⨯0.7AM 0.678⨯1.1⨯sin(710+110) 其中AM=1/sin710，所以求得I s =104mW /cm 2 （2）计算晴天和阴天的辐射量（mWh/cm 2/天） 晴天的辐射量为：5.52⨯N i ⨯I si

阴天的辐射量为：5.52⨯N i ⨯I ci （3）确定晴天和阴天的比例

晴天阴天比例：R 11=X ⨯5.72⨯1.4⨯103+Y ⨯5.72⨯1.4⨯9.4

其中R 11=572+180=752mWh/cm 2，X 和Y 分别为晴天和阴天的百分比，所以由此得出：X=0.86，Y=0.14。

由计算结果得出，每月有86%的晴天，14%的阴天。阴天时水泵基本上无法工作，所以可以忽略，从而得到其有效的辐射强度：R =0.86⨯752=647mWh /cm 2 （4）求出光照强度为I sa 时泵水的时速。 晴天的日照强度为：I si =1.353⨯0.7AM

0.768

⨯1.10⨯sin(α+β)

其中I si 的单位为KWh /cm 2，α是i 月份中正午太阳高角度，β是太阳能阵列的倾角，AM 是大气光学质量。

将一年中的全部I si 值平均可求得一个平均值I sa 。计算方法如下

I sa

∑(X M I )

（4-1） =

(X M ) i

i si

i

i

i

i

在该式中要考虑晴天和阴天的百分比。

图4.2 晴天光照数据与每日峰值光照强度I 的关系图[]

14

由公式4-1和图4.2可知，将晴天中的辐照量转换为一个等同的阳光照射时间：

E i =

6. 7N 6i I s i

（4-2） I sa

这就相当在晴天时，峰值光照强度为I s ，有E 个小时的辐照时间，日照强度为I sa 。而每月的E 值为：

E m i =X i M i E （4-3）

其中i 指代某个月 。使用公式4-1，I sa =104mW /cm 2。使用公式4-2，

E =6.76⨯1.4⨯104/104=9.5h

使用公式4-3，得出每月份泵水平均时数为：

E m =9.5⨯31⨯0.86=253h

4.4 水泵的选择

由前面需水量计算得出平均每月需水0.6⨯106L ，因此，抽水速率（Q ）为

Q =0.6⨯106/(253⨯60⨯60) =0.66L /s

4.5选择兼容的电动机

图4.3 适合设计要求的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0.66L /s 的离心泵将需要2300rpm 的转速。其对应的功率P 约为125W 。扭矩（τ）可以通过功率P 和角速度ω求出

τ=P /ω=125/(2π⨯2300/60) =0.519Nm

4.6 求出子系统的负载曲线

图4.3提供了水泵特性，通过曲线，只要带入水泵的功率值就可以确定不同转速所对应的扭矩。

I m =

τ+0.0674

0.136

（4-4）

V m =

N +69.2I m +16.6

（4-5）

70.4

由上述的两个公式和图4.3读出水泵和电动机的效率值，就可以得到下表：

表4.1 负载曲线的计算值

注： ηp /%为电动机效率值，ηp /%为水泵的效率值，V a /V 为光伏阵列必须输出的电压。

4.7 光伏系统的规格

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，保证光伏输出可以达到电动机和水泵系统的要求。

4.8 电压大小

一个标准的太阳能组件在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 。由此可以看出，最大功率点的电压不随光照强度变化。选择电压时要考虑接线会损耗2%的电压，所以要选择适当的组件串联数目。

由公式四和公式五可以得出电动机电压为37V ，但是接线损耗，其数值要比电动机高2%。若该系统要正常运行，光伏阵列必须输出的电压为38V 。

4.9 电流大小

当光照强度为（L ）时，子系统可以按设计以最高运行效率工作。光照强度可以由以下公式求出：L =0.80I sa 所以，在1KM /m 2光照下，额定最大功率点电流（I mp ）为：

I mp =

100I m

其中I m 是子系统最高效运行时的电机电流。

0.80I sa

I mp =

100I m

=100⨯4.3/(0.80⨯104) =5.2A

0.80I sa

由于太阳能组件表面有灰尘等杂物会照成大约6%的功率损失；日照量与预期的有可能不一样，在将输出功率误差算在内，将有10%的功率背消耗；随着系统运行年限增加，系统某些配件老化也会照成约10%的额定功率损失。所以要引入定额降低因子（一般认为是0.74）的概念，也就是需要增加35%的太阳能面积。

额定短路电流I sc =5.2/(0.74⨯0.95) =7.4A ，所以当光照强度为0.80⨯I sa 时，还是保证了5.2A 的最大功率点电流。

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光伏水泵系统设计

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