光伏提水工程中光伏功率和水泵功率的優化匹配

屈 盛，劉祖明，李杰慧，馬 遜，馬雄韜，王玉林

（1.云南民族大學電氣信息工程學院，云南昆明，650500；2.云南師范大學太陽能研究所，云南昆明，650500；3.云南卓業能源有限公司，云南昆明，650217）

光伏提水工程中光伏功率和水泵功率的優化匹配

屈 盛1，3，劉祖明2，3，李杰慧3，馬 遜2，馬雄韜1，王玉林1

（1.云南民族大學電氣信息工程學院，云南昆明，650500；2.云南師范大學太陽能研究所，云南昆明，650500；3.云南卓業能源有限公司，云南昆明，650217）

摘要：為了能夠優化配置光伏提水工程中的光伏功率和水泵功率，分析了控制逆變器的轉換效率、導線帶來的損失、光伏陣列的實際最大輸出功率等影響因素，推算出在云南省絕大部分地區光伏功率和水泵功率之比的優化取值范圍應在1.3～1.6之間.對一個功率比為1.3左右的光伏提水工程的測量表明，在晴天中午時分，該工程的水泵工作在其額定功率的90%左右，驗證了該優化取值范圍是有效的.

關鍵詞：光伏水泵；光伏提水工程；功率匹配

光伏水泵（photovoltaic pump）以太陽能為動力，用光伏發電來驅動水泵工作，也常常稱為太陽能水泵（solar energy pump），或者太陽水泵（solar pump）.光伏水泵系統（photovoltaic pump system）具有運行費用低、全自動運行、日出而作、日落而息、無需人看守、不受電網限制等特點，可以應用于多種需要提水的場合.在經濟成本上，光伏水泵系統相比傳統的交流電水泵系統和柴油機水泵系統具有較大的優勢［1-3］，在許多場合上都可以代替目前的交流電水泵系統和柴油機水泵系統.它尤其適合于解決無電、干旱少雨地區的日常用水問題［4］.

對于一個光伏水泵系統來說，一定額定功率的水泵，可以配置不同功率的光伏陣列.而這種配置并不是任意的，而是存在一個優化范圍.已有一些文獻對光伏水泵系統的優化配置問題進行研究，但對其中的光伏功率和水泵功率的優化匹配問題研究得不夠詳細［5-11］.而在工程實踐中，我們則曾多次看到過光伏標稱功率是水泵額定功率2倍的實際工程.這樣的光伏提水系統盡管也可以提水，但是光伏陣列的功率容量過大，造成了投資的浪費.因此，對此問題進行深入研究很有必要，可以減少或避免投資上的浪費.為了能夠優化地匹配光伏水泵系統中的光伏功率和水泵功率，本文通過分析和計算，確定出光伏陣列的標稱輸出功率和水泵額定功率之比的優化取值范圍，然后測試一個光伏提水工程在晴天正午時分的光伏實際輸出功率和水泵的實際功率，以此來考察該優化取值范圍的正確性.

1 實驗平臺

本文所檢測的光伏提水工程位于云南省大理市下關區石坪村，該工程的光伏陣列由330塊光伏組件連接而成，光伏組件型號為ZYSM235，標稱輸出功率（最大輸出功率）為235W（實際約為240W），這些光伏組件由60片規格為156的多晶硅太陽電池串聯封裝而成，光伏陣列總的標稱輸出功率為78.96 kW.該工程的控制逆變器型號為ZYPD37，由2臺37 kW的逆變器和一個控制器構成.該工程有2臺水泵，每臺水泵的額定功率為30 kW，額定揚程為70m，額定流量為150 m3／h，為上海熊貓機械（集團）有限公司制造，型號為AAB100-250A.該工程的管道距離約為800m.

為了使得測試結果具有一定的權威性，本文委托云南省太陽能產品質量監督檢查站對我們的光伏水泵系統進行第三方檢測（檢測報告編號：2012CPBV01，檢測時間：2012年12月15日，檢測人：高文峰）.主要測試不同太陽輻照強度下，光伏陣列的實際輸出功率、水泵的實際輸出功率、系統效率以及其他的一些性能參數.

光伏水泵系統一般由光伏陣列、控制逆變器和水泵等3部分組成，如圖1所示.其中，光伏陣列的作用將太陽光輻射能轉換成直流電，它由多個光伏組件串并聯而成；控制逆變器的作用則是將直流電變為交流電，并對水泵進行自動化控制；而水泵的作用是將水從低處提到高處，它一般為三相交流水泵.

光伏水泵系統建設好后基本上沒有任何運行費用，而相比之下，傳統的柴油機水泵系統和交流市電水泵系統則需要較大的運行費用，因此光伏水泵系統比它們具有較大的經濟優勢.例如，對一個水泵額定功率為7.5 kW的提水系統，如果分別采用光伏發電、柴油機和交流電來驅動水泵，則這3種水泵系統的建設成本大約分別為11萬元、0.7萬元和0.3萬元（此處不考慮架設輸電線路和變壓器的費用，如果考慮架設1 km的輸電線路和安裝一個變壓器，則此項的費用約為8萬元左右），但是它們25年的運行費用則分別約為0元、62萬元和15萬元（假定1年運行200 d、日均運行5 h，交流電的電價按0.8元／（kW·h），柴油價按10元／L）.因此，即使不考慮柴油機水泵系統和交流市電水泵系統的初期建設費用，它們在若干年后的運行費用也會超過光伏水泵系統的建設費用.如果考慮了它們的初期建設費用，柴油機水泵系統和交流電水泵系統的費用超過光伏水泵系統建設費用的時間還會進一步縮短.在這25年的運行時間里，光伏水泵系統的維護主要來自水泵，光伏陣列和控制逆變器基本上不需要維護，而柴油機水泵系統和交流電水泵系統同樣也需要對水泵進行維護，因此，上述3種水泵系統的維護費用可以認為是一樣的，均主要來自水泵的維護費用（當然，如果考慮柴油機的維護，則柴油機水泵系統的維護費用是最高的）.光伏水泵系統相對于柴油機水泵系統和交流電水泵系統的這種經濟優勢在一些無電的山區更為明顯.

由圖1可知，對于一個光伏水泵系統，其水泵有一個額定功率P1，它取決于系統的提水揚程等因素［9］.而其光伏陣列則有一個標稱輸出功率P2，因為存在著導線損失，它應該大于水泵的額定功率.如果將光伏陣列的標稱輸出功率和水泵的額定功率之比值定義為α，則有如下關系式：P2＝αP1.由該關系式可知，α的取值應存在一個優化范圍.因為如果α過小，光伏陣列的實際輸出功率則可能不足，晴天里水泵不能充分發揮出它的性能，甚至不能正常工作；而如果α過大，則晴天里光伏陣列的最大輸出功率將遠大于水泵的額定功率，但由于水泵最大只是以其額定功率工作，故此時光伏陣列的功率利用率將會降低.配置光功率過高的光伏水泵系統將會帶來投資上的浪費，由于目前光伏發電的成本比較高，所以這種投資上的浪費也是較為巨大的.

2 結果及討論

2.1 α優化取值范圍的討論

為了確定功率比α的優化取值范圍，本文考慮了3個方面的因素：①控制逆變器的轉換效率；②導線帶來的損失；③光伏陣列的標稱輸出功率和實際最大輸出功率的關系.目前，光伏控制逆變器的轉換效率一般都能在90%以上，甚至可以達到95%以上.而導線帶來的損失，如果光伏陣列和水泵之間的距離不太遠，一般可以控制在1%以內.因此考慮前2項因素以后，α的值應該在1／0.9≈1.1左右.

地面光伏組件的標準測試條件是AM 1.5、25℃、1 000W／m2.光伏組件的標稱輸出功率均是在該標準測試條件下得出的.在云南省范圍內，該標準測試條件的光照強度實際上是高于晴天里太陽光照射到在地面上的強度的，這也就是說，在云南省內，晴天里光伏組件在太陽光照射下的實際輸出功率是小于其標稱輸出功率的.為了找出光伏組件在晴天里的實際輸出功率和其標稱輸出功率的差異，我們測量了云南省大理市下關區石坪村在晴天中午時分的太陽輻照強度，結果如表1所示.

表1 云南省大理市下關區石坪村太陽輻照的測量結果（斜面傾角約20°）

由表1可知，在晴天的正午時分，該地太陽光照射到光伏陣列前表面（傾斜角約為20°左右）的強度約在700～850W／m2之間.如果近似認為在此輻照強度范圍內光伏組件的光電轉換效率不變，仍為標準測試條件下的光電轉換效率，則我們可以推算出，在該地太陽光輻照下，地面光伏組件的最大輸出功率實際上只有標稱輸出功率的70%～85%.例如一個標稱為200W的地面光伏組件，在該地太陽光輻照下，其所輸出的最大功率實際上在140～170W之間.

由文獻［10］可知，云南省絕大部分地區的年太陽輻射總量很接近，都與上述測試地點的年輻射總量相近.因此，表1的數據在云南省內具有代表性，依據表1的數據進行計算所得的結果適用于云南省絕大部分地區.

綜上所述，在考慮以上3個方面的因素以后，在云南省絕大部分地區α的優化取值范圍應該在（1／0.9）×（1 000／850）-（1／0.9）×（1 000／700）≈1.3～1.6之間，此即是光伏提水系統中光伏陣列標稱輸出功率和水泵額定功率的優化匹配范圍.例如，對于一個水泵額定功率為10 kW的光伏提水系統，光伏陣列的標稱輸出功率應該配置在13～16 kW之間.

3.2 α優化取值范圍的驗證

為了考察上述討論所得到的α優化取值范圍的正確性，我們依托云南省太陽能產品質量監督檢查站對一個功率比為1.3左右的光伏水泵系統進行了實際測試，該測試是在中午12∶18進行，測得此時的太陽輻照強度為810W／m2，當天天氣晴朗，該光伏水泵系統的功率配置情況和所得的測量結果如表2所示.

由表2可知，此時光伏陣列的實際輸出功率實際上只有其標稱輸出功率的79.4%.但按照上面討論中的假設，當太陽輻照強度為810W／m2時，光伏陣列的實際輸出功率應該是其標稱輸出功率的81%.其中可能的原因是：①光伏組件在此光強下的光電轉換效率并不等于標準光強（1 000W／m2）下的光電轉換效率，而是稍有下降；②在太陽光的長時間照射下，光伏組件的溫度會高于25℃，從而使得其光電轉換效率進一步下降.

表2 光伏提水系統的光伏功率和水泵功率的實際測量結果

由表2還可知，此時光伏水泵系統的電效率為86.2%（即水泵的實際功率和光伏陣列的實際輸出功率之比），而此時水泵的實際功率是54 kW，為其額定功率的90%.盡管水泵并沒有以額定功率工作，但已經非常接近額定功率了，可以認為基本上達到了系統的設計指標.故功率比為1.3左右配置是可行的，此即是α的取值范圍的下限.

由表2可以預知，如果功率比小于1.3，則在晴天的正午時分，水泵的實際功率將小于額定功率的90%，系統將不能很好地發揮出其設計的性能.而如果功率比大于1.3，則在晴天的正午時分，水泵的實際功率將大于額定功率的90%.例如，如果假定系統的電效率不變，則可以預知當功率比為1.46時（即光伏陣列的標稱功率為87.6 kW時），在同樣的光照條件和光伏陣列的功率輸出比例（實際輸出功率和其標稱功率之比）下，光伏陣列的實際輸出功率將達到87.6×79.4%≈69.6 kW，而水泵的實際功率將69.6×0.862≈60 kW，即水泵以額定功率工作.而當功率比為1.6時（即光伏陣列標稱功率為96 kW時），在同樣的光照條件和輸出比例下，光伏陣列的實際輸出功率將達到96×79.4%≈77.2 kW，如果此時系統仍想保持86.2%的電效率，則水泵需要工作在66.5 kW上，即工作在額定功率的1.1倍上.但實際上，水泵的實際工作功率不會大于其額定功率，故此時系統若想仍保持86.2%的電效率，則光伏陣列的輸出功率將會由77.2 kW下降到69.6 kW，即光伏陣列的功率輸出比例將由79.4%下降到72.5%，也即光伏陣列的功率利用率下降了.根據上面的討論，在此種情況下，如果假定為1.46時光伏陣列的功率利用率為100%，則當為1.6時光伏陣列的功率利用率僅僅約為91.3%，也就是說，當為1.6時，光伏陣列的功率容量已經過大了.如果功率比進一步增大，光伏陣列的功率利用率還會進一步降低，光伏陣列功率容量的過剩還會進一步嚴重.因此，即使考慮了一定的功率余量，將α的優化取值確定在1.3～1.6就已經比較恰當了.

在陽光非常好的晴天，太陽輻照強度可以達到810W／m2，而在輻照稍差一點的晴天里，太陽輻照強度將達不到810W／m2，如表1所示.因此將α的優化取值確定在1.3～1.6范圍是比較合理的，可以兼顧這種太陽輻射稍差一點的天氣.此外，在工程實踐中，盡管光伏陣列的標稱功率是光伏組件的整數倍，但是為了維持一定的輸出電壓，光伏陣列的功率要想增加時，往往是需要增加一個子陣的功率，而不是增加一塊光伏組件的功率，因此將α的優化取值確定在一個范圍內，而不是確定為某一個值，更加符合光伏水泵工程的實際情況.

4 結語

在實際測試的基礎上，通過分析和計算，我們得出，在云南省內光伏水泵系統中光伏陣列的標稱輸出功率和水泵的額定功率之比值應該在1.3～1.6之間.如果該功率比值小于1.3，則晴天里水泵不能充分發揮出它的性能；而如果該功率比值大于1.6，則光伏陣列的功率利用率不高，造成光伏陣列功率容量的浪費.實際測量結果表明，一個功率比為1.3左右的光伏水泵工程在晴天中午時分，其水泵的實際功率為其額定功率的90%.這驗證了該優化取值范圍的有效性.

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（責任編輯 莊紅林）

中圖分類號：TK51

文獻標志碼：A

文章編號：1672-8513（2014）06-0465-04

收稿日期：2014-05-09.

基金項目：國家自然科學基金（51367019）.

作者簡介：屈盛（1976-），男，博士，講師.主要研究方向：太陽能光伏科學與工程.

Photovoltaic power and pump power in a photovoltaic pumping engineering

QU Sheng1，3，LIU Zu-ming2，3，LI Jie-hui3，MA Xun2，MA Xiong-tao1，WANG Yu-lin1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Yunnan Minzu University，Kunming 650500，China；2.Institute of Solar Energy，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China；3.Yunnan ZY Energy Corporation，Kunming 650217，China）

Abstract：In order to optimally configure photovoltaic power and pump power in a photovoltaic pumping engineering，the impact factors of photovoltaic pump systems are analyzedin detail in this paper，including the efficiency of control inverters，the wire-induced loss and the real maximum output power of photovoltaic arrays，then a deduction is made that the optimum value of the ratio of photovoltaic power to pump power in a photovoltaic pumping system should be between 1.3 and 1.6 in most areas of Yunnan province.Measurement results indicate that at noon of a fine day，the pump works at90 percent of its rated power in a photovoltaic pumping engineering with a power ratio of 1.3.This proves the optimum value of the power ratio is effective.

Keywords：photovoltaic pump；photovoltaic pumping engineering；powermatch