太阳能光伏取水系统的功率配比分析

王文仪，朱勋梦，刘祖明，韦永森

(1.桂林师范高等专科学校物理与工程技术系，广西 桂林 541001；2.云南师范大学太阳能研究所，昆明 650500)

0 引 言

“光伏水泵系统”也被称作“太阳能光电水泵系统”，它是利用光伏组件阵列，将太阳能直接转换为电能, 驱动电机带动水泵工作，提取江、河、井、塘等水源处的水。光伏水泵系统可广泛应用于牧区、草原、边防哨所、农业等地区，提供人畜饮用水以及草原、牧场或其他农作物的灌溉用水[1]。在发达国家，“光伏水泵系统”己逐步地被用作花园、别墅、草地及宿营地等的供水设施，成为文明时尚的产品[2]。光伏水泵能有效解决耕地干旱问题,提高耕地产量。

近年来，国内外学者对光伏水泵系统进行了大量的研究，Odeh.I[3]等讨论了光伏水泵的提水高度、太阳辐射强度及电池阵列尺寸大小对系统的影响，以求得到系统的最佳匹配。朱勋梦[4]等对一套小型太阳能直流水泵的性能进行了实验研究，得出水泵系统与辐照强度的关系。Abdelmalek[5]等研究了直接耦合的光伏提水系统性能，光伏阵列与水泵功率配置比为173%系统白天工作时间超过8 h。另外,何慧若[6,7]等对“光伏水泵系统”的优化配置也做了大量的研究，分析了影响光伏水泵系统负载配置最优选择的要素，得出以每峰瓦太阳电池水能当量值最大为目标的光伏水泵系统负载配置的最优解。在系统安装运行过程中,如何使得光伏系统中光伏阵列的功率与水泵功率配置最优化，以降低系统的成本，一直是一个难题。到目前为止，国家尚未出台相关标准来规定对光伏水泵系统中的启动功率进行限定,在绝大多数情况下，工程人员只能依靠经验设计技术参数，因此,在系统配置时往往会出现水泵功率与光伏组件功率配比不匹配的问题,这样配置的系统要么大大增加成本投入,要么系统运行不畅。基于上述现状，本文就光伏水泵系统中光伏组件功率与水泵功率在实际应用中所选择的配比关系进行研究，以找到最佳配置比例范围。

1 系统简介

光伏水泵系统主要由光伏组件、控制器、水泵、蓄水池、管道等部分组成，其工作简图如图1所示。

图1 光伏水泵系统简图Fig.1 Photovoltaic pump system diagram

光伏水泵提水技术是最好的光伏应用技术之一，一方面，干旱需要水的时候往往也是太阳辐照最强的时候，而阴雨天抽水量较少也是对水的需求相对较少，这与太阳能资源有很好的匹配性；另一方面，太阳辐照强时水泵可多抽水，辐照弱时少抽水或不抽水，不需要蓄电池，将储电变成储水，大大节约了光伏系统的成本。光伏水泵取水特别适合连续干旱的气候特点，使用光伏水泵可以较经济地将低处的江水提到高山进行灌溉及生活用水，从根本上帮助山区农村的农业生产居民，使昔日靠天吃饭的地区变成新的鱼米之乡。

2 系统配比研究

2.1 太阳辐照强度

系统中电力完全由光伏组件提供，且光伏组件发电量受太阳辐照影响较大[1]，在系统中需要选择设计适当的光伏组件功率，使之与光伏水泵相匹配，整个系统协调运作，能够最大的发挥系统作用，尽量减少浪费。因此，需要知道辐照强度在一天中的变化情况，图2为2013年昆明某一晴天辐照随时间变化图。

图2 全天辐照度随时间变化图Fig.2 The relationship curves between all day long irradiation and time

从图2中可以看出太阳辐照度在一天的变化基本呈现正弦函数关系，辐照度大于等于1 000 W/m2的时间在2 h左右，大于等于900 W/m2的超过3 h，近4 h的福照度是850 W/m2，大于等于800 W/m2的时间超4 h, 400 W/m2以上的时间超7 h。

2.2 理想情况下的配比

从图2可以看出,一天中正午附近的辐照度才能达到1 000 W/m2，其他大部分时间达不到此辐照值。目前，考虑到系统全天折合满功率抽水时间不低于5 h，由图2分析可以看出，若光伏水泵系统在近900 W/m2时，系统在满功率条件下工作，那么以一种理想的状况来计算光伏组件与水泵功率比例关系如下：

(1)

式中：Ppv为所需光伏组件功率，W；Pp为水泵额定功率，W；Ht为水泵工作状态与额定条件下工作状态相当时的太阳辐照强度，W/m2。

光伏组件功率与水泵功率比例系数kb可用下式计算：

(2)

系统全天折合满功率抽水时间为5～6 h，由以上计算方法计算,水泵从900 W/m2的辐照强度或850 W/m2后，系统在满负荷功率下工作，系统配比应为111.1%～117.7%。

2.3 逆变器修正

系统中除了太阳辐照强度对电机与组件的配比影响外,还有许多因素的影响，如:管路及电机本身都要损失一部分电能,这一点从能量守恒中不难推知，如果仅仅按照电机的功率来严格配备光伏组件大小,就会出现电机不能正常工作,特别是提水高度高时将会出现抽不了水的情况。若是加入了逆变器、控制器等器件的系统，还需要考虑这些器件的消耗及逆变效率。国家金太阳光伏逆变器认证标准规定,无变压器型逆变器最大转换效率应不低于96%，含变压器型逆变器最大转换效率应不低于94%[8]。在这里计算设计时按照94%的转换效率计算，引入修正系数γ1=0.94，那么(1)式修改为：

(3)

光伏组件功率理论值为111.1%的配比将要配118.2%，理论值为117.7%的配比将要配125%。

2.4 组件修正

光伏组件是整个光伏水泵系统的动力核心，动力不足水泵也不能充分发挥作用，因此，光伏组件的选型及配置是光伏水泵系统高效率的关键。光伏组件的标称功率是标准条件下测试的：光谱分布AM1.5，辐照度1 000 W/m2，温度25 ℃，由于光伏组件是负温度系数器件，在阳光照射下，光伏组件实际工作温度一般为55 ℃，晶体硅光伏组件的输出功率温度系数是-0.4%/℃[9]，则在实际工作时将有12%的温度损耗。系统运行中，光伏组件长期置于外界环境中，组件上的灰尘遮挡，组合损耗、线损等，系统组件与标况测试对比损耗为15%。进而引入另一修正系数γ2=0.85，则(3)式修改为：

(4)

那么,系统计算的配置由118.2%～125%增加至139%～147%。按照组件性能要求，25年后发电效率衰减到80%，再次引入另一修正系数γ3=0.8，则系统计算的配置由139%增加至173%,147%的增加至183%。

2.5 修正后的表达式

在以上修正后，光伏组件功率与水泵功率的配比最后变为：

(5)

对于一般的光伏水泵系统，不一定考虑满额配置173%～183%之间，光伏组件与水泵电机配置比例可考虑在147%～173%范围。但在实际应用中，人们往往选择的扬程要比水泵标值扬程低，流量选择也会相应放大选择，由于这些选择会使系统在低辐照强度时就开始运行，每天抽水时间增长或流量增加，同样可以满足需要，这种情况可以根据实际选择的系统元件对此比例进行适当减小处理。

3 实例工程

表1中展示了在云南、四川等地现已建设好的7个光伏水泵取水工程，具体参数如表1所示。

表1 光伏水泵实例工程基本参数Tab.1 Photovoltaic pump instance engineering basic parameters

7套系统中,光伏系统与水泵功率的配置大于144%的5套系统运行状况良好,能够达到水泵额定工作点功率。对配比为121%的系统实际运行进行了全天测试，系统启动时间在上午9∶00左右，启动辐照强度为350 W/m2，停止抽水时间为在下午17∶25左右，全天运行时间近8.5 h。得到系统启动时直流电压为582 V，电机交流电流 17.3 A，电机三相交流电压为386 V。当辐照强度超过850 W/m2以后直至全天最大辐照强度1 044 W/m2，水泵工作电机三相交流电压变化范围在(531～540 V)、交流电流在(31.6～32.6 A)、输入功率(16.8～17.6 kW)相对较稳定，持续时间大约在3.5～4 h，由于系统中的配配比关系为121%(较低)，系统在辐照最强时输入功率也没有达到水泵功率(18.5 kW)。

从以上的分析知道，系统组件与水泵电机配比为121%，在不考虑系统衰减时，系统达到额定功率抽水时间为每天4 h左右，与实测值吻合较好。从实际测量结果看，系统全天抽水时间远大于4 h(接近8 h)。从水泵启动点与停止点时，水泵工作的电压、电流与功率可以看出，水泵在很长一段时间内没有处在额定功率点处，在系统安装时，提水高度没有达到水泵标定扬程的高度，即系统处于欠工作状态，这一点，从实际测试结果也得到了验证。

4 结 语

实例工程运行情况良好的系统得到的光伏组件功率与水泵功率的配置与本文提出的计算公式所得结果较为吻合，说明本文提出的计算方案是可行的，能为今后的光伏水泵系统工程设计提供参考。

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[1] 苏建徽.光伏水泵系统及其控制的研究[D].合肥：合肥工业大学,2003．

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

[3] Odeh I, Yohanis G, Norton B. Influence of pumping head, insolation and PV array size on PV water pumping system performance[J].SolarEnergy,2006,1(80):51-64.

[4] 朱勋梦,刘祖明,王文仪，等.小型太阳能直流水泵的性能实验研究[J].节水灌溉,2012,(7):24-28.

[5] Abdelmalek Mokeddem, Abdelhamid Midoun,D Kadri,et al. Performance of a directly-couped PV water pumping system[J].Energy Conversion and Management, 2011,52(10):3 089-3 095.

[6] 何慧若，余世杰，沈维祥.光伏水泵系统负载配置的最优选择[J].太阳能学报，1992,13(4):315-320.

[7] 谢 磊,余世杰,王 飞，等.光伏水泵系统配置优化的实验及仿真研究[J].太阳能学报,2009,30(11):1 454-1 460.

[8] CNCA CTS 0004-2009A，并网光伏发电专用逆变器技术条件[S].

[9] Van Dyk E E, Scott B J, Meyer E L, et al. Temperature depend of performance of crystal-llne silicon photovoltaic modules [J]. South African Jsci, 2000,(96):198-200.