太阳能水泵系统的研究现状与趋势

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏大学流体机械工程技术研究中心 作者:谈明高

  太阳能水泵系统包含电池板、电力电子控制器、电机和水泵等设备,是多学科综合应用的一门技术,它是发展新能源利用和节能减排的重要手段和成果。本文回顾了太阳能水泵系统配置的发展历程和现状,对太阳能水泵系统性能预测方法、系统匹配、控制策略、综合评价等研究方面进行分析总结,并简要介绍了提高系统运行效率的手段,最后展望了系统研究的发展方向。

1、引言

  太阳能水泵系统是由太阳能电池板驱动电机和水泵运行的系统。自1978 年安装第一批太阳能水泵系统以来,太阳能水泵系统不断改进和完善,近些年已大量应用在农村灌溉、饮水及城市景观中。太阳能水泵系统的产生和发展对解决偏远地区用水、缓解传统能源依赖和节能减排有着重要意义。自产生之日起,国内外学者做了大量有关太阳能水泵系统的研究,使太阳能水泵系统不断发展完善,从内容来看这些研究主要可分为系统的配置研究、性能预测、系统优化及评价。

2、太阳能水泵系统配置

  由于太阳能电池板输出电能为直流形式,因而采用直流电机与电池板阵列直接耦合成为最直接最简单的系统,因此早期的应用和研究集中在水泵、直流电机与电池板直接耦合的系统上。如Roger 等通过试验得到0. 5kW 的电池板与泵直接耦合的系统的性能。Appelbaum 等把电池板分别与串励直流电机、并励直流电机、他励直流电机连接驱动恒定负载和风机类负载,比较他们的启动特性和稳态特性,并根据负载的输入功率与电池板最大接收功率之比定义负载与电池板的匹配度,随后又研究了电池板带6 种不同负载(电阻、蓄电池、电解槽、功率调节器、直流电机分别驱动容积式和离心式水泵负载) 的匹配情况,结果显示在直接耦合的系统中蓄电池和离心泵与电池板匹配良好,而容积式泵与电池板匹配较差。之后他们对比研究了系统带有MPPT(Maximum Power Point Trace) 和不带MPPT 的永磁、他励、串励、并励直流电机的启动特性,发现带有MPPT 的系统电机启动与额定电流比、转矩比均比不带MPPT 的系统高,各类型电机电流放大比例相同,永磁电机转矩放大比例最低、整体式他励电机最高。他们发现在启动阶段,电池阵列相当于一个恒流源,当驱动加速时相当于恒压源。虽然有刷直流电机使用方便,但通常维护不方便,对于潜水泵系统,更换电刷需要把泵从井中取出并拆开,从而增加运行成本,因此其可靠性较低。

  为了克服这一缺点,人们开始大量应用无刷直流电机,其动态性能良好,能效高,与电池板匹配度高。但是,无刷直流电机功率通常较小,且价格较贵,因而只应用于低功率系统中。对于大功率系统,太阳能水泵系统应该寻求电机与阵列的最佳组合来达到高效率、低成本、高可靠性。在大功率系统中使用逆变器和交流异步电机是较为合适的方案。与一般直流电机相比,交流异步电机更坚固耐用,工况变化范围更大,工作可靠,且成本低,也不需要维护。同时交流电机为系统效率的提升提供更大空间和多样的控制策略。随着系统功率的进一步增大,其功效可逐步抵消添加逆变器的费用。

  除了电池阵列及电机- 泵装置这两个主要部分,为了最大限度利用光照,在系统中加入功率跟踪器来使电池板运行在最大功率处; 加入蓄电池或蓄水池等装置来储存能量; 在有交直流转换的系统中加入变频器以使电机变转速运行。Singer等的研究表明带有MPPT 的系统电机启动电流和转矩放大倍数明显增大,且可使全天光照利用率增加。蓄电池可缓冲电池板电力供应和提供给负载稳定电源。Khouzam 等指出带有蓄电池缓冲的系统可以提供几乎恒定的负载电压,适当选择蓄电池工作电压可以产生接近带有MPPT 系统的效率; 蓄电池的缓冲作用使负载没有明显的季节依赖性。但对于要求不高的用水系统,在适当情况下以蓄水方式也能达到接近蓄电系统的效果,且更为经济、环保和方便。因此,大多一般用途的系统都选择蓄水方式。这些装置的添加对于系统效率的提升都有重要作用。

  目前产品中电池板和水泵之间有以下3 种耦合方式:

  (1) 直接耦合:直流电机- 泵+ 控制器+电池板。

  (2) 直流电机带最大功率跟踪器:直流电机- 泵+ 控制器( 带MPPT) + 电池板。

  (3) 交流电机带最大功率跟踪器和变频逆变器:交流电机- 泵+ 控制器( 带MPPT 和变频逆变器) + 电池板。

  对于户用水泵,一般电机功率在2kW 以内,使用直流电机的优势较为明显。一些厂家使用高效三相异步电机,其优势在大功率(5kW 以上) 系统中能得到较好体现。

5、展望

  目前硅太阳能电池板效率在短时期内很难有大的提升,虽然第二代薄膜太阳能电池和第三代有机质太阳能电池具在成本上有明显优势,但与目前硅太阳能电池板的大规模生产相比还不具竞争力。未来一段时间内,硅电池板仍将占据市场大量份额。因此,今后太阳能水泵系统研发方向应该集中在以下3 个方面:

  (1) 研发高效水泵及电机,以提高电机和水泵在大范围转速、流量变化下的高效区范围及降低系统扬水阈值功率。开发低成本、高可靠性智能控制器以提高各组件间性能匹配、应对多变的气候状况,从而提高系统动态品质和全局效率。同时提高中小型风- 光- 热等能源互补利用综合技术的开发及推广;

  (2) 气候、光照、水位、需水等多因素变化下太阳能水泵系统长期性能预测的通用方法及基于动态变化下系统设计方法,建立不同地区的数据库,以逐步取代使用静态平均值估计的方法;

  (3) 随着电池板价格的降低及中小型太阳能系统的发展,今后在优化电池板功率的基础上应加大对系统运行可靠性的评价以提高系统长期运行可靠性和供水的稳定。

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