不同揚程小型太陽能直流水泵的性能實驗對比研究

王文儀 劉祖明 朱勛夢 李杰慧 趙義芬 李光明 侯立宏

(1.云南師范大學太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進技術與制備重點實驗室，云南省農村能源工程重點實驗室；2.云南卓業能源有限公司；3.昆明冶研新材料股份有限公司)

一 引言

太陽能水泵是利用太陽電池供電，帶動水泵從水源提水的設備，具有噪聲低、無污染、簡單、經濟等諸多優點。對于光伏水泵系統的研究，國外起步得較早，早在20世紀70年代后期就開始進行研究[1]，分析了光伏水泵系統的性能[2,3]，探討了光伏電池板、直流電機和水泵的直接耦合，但效率較低。Odeh I 等[4]研究了光伏水泵的提水高度、太陽輻射強度及電池陣列尺寸大小對系統的影響，以求得到系統的最佳匹配；何慧若等[5]分析了影響光伏水泵系統負載配置最優選擇的要素，得出以每峰瓦太陽電池水能當量值最大為目標的光伏水泵系統負載配置的最優解。Pande P C等[6]設計開發了太陽能光伏水泵，通過滴流為果園灌溉，增加果樹產量。余世杰等[7]對光伏水泵系統的經濟效益和環境效益與柴油機水泵做了比較分析，結果表明光伏水泵具有良好的經濟效益和環境效益，其免維護較柴油機更顯示出優越性。程榮香等[8]通過對光伏提水進行農作物微灌試驗示范的介紹，給出了干旱、半干旱地區農作物需水量和滴灌系統需能量的計算方法，分析了利用光伏提水微灌技術的經濟性，計算表明，光伏提水微灌的單位提水成本為0.073元/m3，僅為柴油機提水成本的1/3，顯示出光伏水泵的優勢。近年來，云南省一些地區進行了多項光伏水泵取水示范工程，運行良好，用戶反應也較好。

本文在原有研究的基礎上，對不同揚程的小型太陽能直流水泵進行對比實驗研究，得出了不同揚程的小型太陽能直流水泵的適用范圍，既能解決陽光充足、偏遠無電力地區供應抽水問題，又能擴大太陽能水泵的使用范圍。該裝置重量輕、易拆裝、攜帶方便、可就地安裝就地使用，光伏組件的傾角和方位角度可方便調整，使太陽電池輸出達到最大，且系統在安裝使用時可不使用跟蹤器，降低成本，提高經濟效益。

二 系統設計及安裝

1 系統設計

該系統能方便地調整太陽電池組件的最佳傾角，使太陽電池的輸出功率達到最大，而無需采用跟蹤器。該系統主要部件為太陽電池組件(功率分別為40W及80W)，此外還包括支桿、底部有帶刻度的1/4圓弧(與水平尺能準確讀出α的大小，可在0～90?之間變化）、水平尺(始終處在水平面上，與電池板形成α角)、螺釘(固定支桿、水平尺)；微型直流水泵(功率分別為16W和45W)以及進水端、出水端(圖1)。對于不同功率的水泵，之所以配備水泵功率兩倍左右的光伏組件，主要是考慮水泵能在較低的太陽輻射下就開始工作，如一般正午時太陽輻照度接近1kW/m2，這樣在400W/m2左右的實際輻照度下水泵就可以工作，水泵在昆明晴天的工作時間約為8h。

2 安裝

實驗前需對太陽電池組件進行調節，如圖1所示。安裝時，首先計算或查出當地太陽電池組件的最佳安裝角，通過調節支桿及水平尺，使α角與最佳傾角一致；組件輸出端與水泵的輸入端正確連接(實驗前把水泵灌滿水再接上水管，避免空氣阻力影響水泵的流量及提水高度)。

三 系統測試及分析

1 實驗方案

本實驗對配置好的不同揚程太陽電池光伏水泵進行實際測試研究。33?傾角朝正南方向，在不同的提水高度處，均提起一桶水(合14.5L)。在保持組件輸出功率一定的條件下，由實驗數據分別做出提水高度與時間及輻照度與時間的關系，為今后光伏水泵的工作提供參考。

2 實驗結果與分析

不同水泵提水高度與時間的變化關系如圖2所示。當抽取一定量的水(實驗中的提水量為14.5L)時，提水高度越高，所需時間越長。從圖2看出，系統1的提水高度為0～30m，系統2的提水高度曲線在0～55m內變化緩慢，近似為一條直線，說明在此范圍內提水較為理想。此外系統1的提水高度曲線在30～40m、40～50m時比0～30m時更陡峭，系統2提水高度曲線在55～60m、60～70m時比0～55m時陡峭，表明兩系統分別在30～50m及55～70m范圍內提水可滿足一定的抽水量，也具有一定的使用價值；但當提水高度分別達到50m及70m以后，特別是接近揚程時曲線變化更加陡峭，近乎與橫軸垂直，即時間為無限，說明此時用來抽水已沒有實用意義。

從圖2也可以看出，水泵實際揚程與理論揚程之間的比值為0.75～0.85，而系統的提水高度在實際揚程的2/3左右時較為適用。

圖3顯示了輻照度與時間的關系曲線圖。從圖3中可看出，當輻照度大于450W/m2時即可滿足該光伏水泵的抽水工作；而當輻照度小于200W/m2時水泵將不再抽水。

對光伏組件(太陽電池用量計算)和水泵功率的選擇進行了相關研究[9,10]，最終使能量損失減少。

四 結論

本文從小型水泵的設計到實驗，得出了滿足該光伏水泵工作的最小輻照度，并得到提水高度與時間、輻照度與提水時間之間的關系，為今后光伏水泵的工作提供參考。

(1)配置的不同揚程的小型太陽能直流水泵，裝置簡單、實用，無需跟蹤器，能方便地讓太陽光直入射太陽電池組件，使效益得到提高。當輻照度大于450W/m2時運行良好，而當輻照度小于200W/m2時水泵將不再抽水。

(2)系統的提水高度在實際揚程的2/3時較為適用。

[1]Roger J A. Theory of the direct coupling between DC motors and photovoltaic solar arrays[J]. Solar Energy, 1979, 23(3):193－198.

[2]Roger Hsiao Y, Blevins Bruce A. Direct coupling of photovoltaic power source to water pumping system[J]. Solar Energy, 1984, 32(4):489－498.

[3]Anis W, Kerbache T, Mertens R, et al. Detailed analysis for photovoltaic powered water pumping systems[J]. Solar and Wind Technology, 1984, 1(4):197－205.

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

[5]何慧若, 余世杰, 沈維祥. 光伏水泵系統負載配置的最優選擇[J]. 太陽能學報, 1992, 13(4):315－320.

[6]Pande P C, Singh A K, Ansari S, et al. Design development and testing of a solar PV pump based drip system for orchards[J].Renewable Energy, 2003, 28(3):385－396.

[7]余世杰, 何慧若, 沈玉梁, 等. 經濟效益和環境效益的結合——光伏水泵系統[J].合肥工業大學學報(自然科學版), 2000, 23(2):154－159.

[8]程榮香, 張瑞強. 光伏提水技術在農作物灌溉上的應用[J]. 可再生能源, 2008, 26(1):72－78.

[9]熊紹珍, 朱美芳. 太陽能電池基礎與應用[M]. 北京: 科學出版社, 2009: 557－561.

[10]Short T D, Burton J D. The benefits of induced flow solar powered water pumps[J]. Solar Energy, 2003, 74(1):77－84.