太陽能光伏取水系統的功率配比分析

王文儀，朱勛夢，劉祖明，韋永森

(1.桂林師范高等專科學校物理與工程技術系，廣西 桂林 541001；2.云南師范大學太陽能研究所，昆明 650500)

0 引 言

“光伏水泵系統”也被稱作“太陽能光電水泵系統”，它是利用光伏組件陣列，將太陽能直接轉換為電能, 驅動電機帶動水泵工作，提取江、河、井、塘等水源處的水。光伏水泵系統可廣泛應用于牧區、草原、邊防哨所、農業等地區，提供人畜飲用水以及草原、牧場或其他農作物的灌溉用水[1]。在發達國家，“光伏水泵系統”己逐步地被用作花園、別墅、草地及宿營地等的供水設施，成為文明時尚的產品[2]。光伏水泵能有效解決耕地干旱問題,提高耕地產量。

近年來，國內外學者對光伏水泵系統進行了大量的研究，Odeh.I[3]等討論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。朱勛夢[4]等對一套小型太陽能直流水泵的性能進行了實驗研究，得出水泵系統與輻照強度的關系。Abdelmalek[5]等研究了直接耦合的光伏提水系統性能，光伏陣列與水泵功率配置比為173%系統白天工作時間超過8 h。另外,何慧若[6,7]等對“光伏水泵系統”的優化配置也做了大量的研究，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。在系統安裝運行過程中,如何使得光伏系統中光伏陣列的功率與水泵功率配置最優化，以降低系統的成本，一直是一個難題。到目前為止，國家尚未出臺相關標準來規定對光伏水泵系統中的啟動功率進行限定,在絕大多數情況下，工程人員只能依靠經驗設計技術參數，因此,在系統配置時往往會出現水泵功率與光伏組件功率配比不匹配的問題,這樣配置的系統要么大大增加成本投入,要么系統運行不暢。基于上述現狀，本文就光伏水泵系統中光伏組件功率與水泵功率在實際應用中所選擇的配比關系進行研究，以找到最佳配置比例范圍。

1 系統簡介

光伏水泵系統主要由光伏組件、控制器、水泵、蓄水池、管道等部分組成，其工作簡圖如圖1所示。

圖1 光伏水泵系統簡圖Fig.1 Photovoltaic pump system diagram

光伏水泵提水技術是最好的光伏應用技術之一，一方面，干旱需要水的時候往往也是太陽輻照最強的時候，而陰雨天抽水量較少也是對水的需求相對較少，這與太陽能資源有很好的匹配性；另一方面，太陽輻照強時水泵可多抽水，輻照弱時少抽水或不抽水，不需要蓄電池，將儲電變成儲水，大大節約了光伏系統的成本。光伏水泵取水特別適合連續干旱的氣候特點，使用光伏水泵可以較經濟地將低處的江水提到高山進行灌溉及生活用水，從根本上幫助山區農村的農業生產居民，使昔日靠天吃飯的地區變成新的魚米之鄉。

2 系統配比研究

2.1 太陽輻照強度

系統中電力完全由光伏組件提供，且光伏組件發電量受太陽輻照影響較大[1]，在系統中需要選擇設計適當的光伏組件功率，使之與光伏水泵相匹配，整個系統協調運作，能夠最大的發揮系統作用，盡量減少浪費。因此，需要知道輻照強度在一天中的變化情況，圖2為2013年昆明某一晴天輻照隨時間變化圖。

圖2 全天輻照度隨時間變化圖Fig.2 The relationship curves between all day long irradiation and time

從圖2中可以看出太陽輻照度在一天的變化基本呈現正弦函數關系，輻照度大于等于1 000 W/m2的時間在2 h左右，大于等于900 W/m2的超過3 h，近4 h的福照度是850 W/m2，大于等于800 W/m2的時間超4 h, 400 W/m2以上的時間超7 h。

2.2 理想情況下的配比

從圖2可以看出,一天中正午附近的輻照度才能達到1 000 W/m2，其他大部分時間達不到此輻照值。目前，考慮到系統全天折合滿功率抽水時間不低于5 h，由圖2分析可以看出，若光伏水泵系統在近900 W/m2時，系統在滿功率條件下工作，那么以一種理想的狀況來計算光伏組件與水泵功率比例關系如下：

(1)

式中：Ppv為所需光伏組件功率，W；Pp為水泵額定功率，W；Ht為水泵工作狀態與額定條件下工作狀態相當時的太陽輻照強度，W/m2。

光伏組件功率與水泵功率比例系數kb可用下式計算：

(2)

系統全天折合滿功率抽水時間為5～6 h，由以上計算方法計算,水泵從900 W/m2的輻照強度或850 W/m2后，系統在滿負荷功率下工作，系統配比應為111.1%～117.7%。

2.3 逆變器修正

系統中除了太陽輻照強度對電機與組件的配比影響外,還有許多因素的影響，如:管路及電機本身都要損失一部分電能,這一點從能量守恒中不難推知，如果僅僅按照電機的功率來嚴格配備光伏組件大小,就會出現電機不能正常工作,特別是提水高度高時將會出現抽不了水的情況。若是加入了逆變器、控制器等器件的系統，還需要考慮這些器件的消耗及逆變效率。國家金太陽光伏逆變器認證標準規定,無變壓器型逆變器最大轉換效率應不低于96%，含變壓器型逆變器最大轉換效率應不低于94%[8]。在這里計算設計時按照94%的轉換效率計算，引入修正系數γ1=0.94，那么(1)式修改為：

(3)

光伏組件功率理論值為111.1%的配比將要配118.2%，理論值為117.7%的配比將要配125%。

2.4 組件修正

光伏組件是整個光伏水泵系統的動力核心，動力不足水泵也不能充分發揮作用，因此，光伏組件的選型及配置是光伏水泵系統高效率的關鍵。光伏組件的標稱功率是標準條件下測試的：光譜分布AM1.5，輻照度1 000 W/m2，溫度25 ℃，由于光伏組件是負溫度系數器件，在陽光照射下，光伏組件實際工作溫度一般為55 ℃，晶體硅光伏組件的輸出功率溫度系數是-0.4%/℃[9]，則在實際工作時將有12%的溫度損耗。系統運行中，光伏組件長期置于外界環境中，組件上的灰塵遮擋，組合損耗、線損等，系統組件與標況測試對比損耗為15%。進而引入另一修正系數γ2=0.85，則(3)式修改為：

(4)

那么,系統計算的配置由118.2%～125%增加至139%～147%。按照組件性能要求，25年后發電效率衰減到80%，再次引入另一修正系數γ3=0.8，則系統計算的配置由139%增加至173%,147%的增加至183%。

2.5 修正后的表達式

在以上修正后，光伏組件功率與水泵功率的配比最后變為：

(5)

對于一般的光伏水泵系統，不一定考慮滿額配置173%～183%之間，光伏組件與水泵電機配置比例可考慮在147%～173%范圍。但在實際應用中，人們往往選擇的揚程要比水泵標值揚程低，流量選擇也會相應放大選擇，由于這些選擇會使系統在低輻照強度時就開始運行，每天抽水時間增長或流量增加，同樣可以滿足需要，這種情況可以根據實際選擇的系統元件對此比例進行適當減小處理。

3 實例工程

表1中展示了在云南、四川等地現已建設好的7個光伏水泵取水工程，具體參數如表1所示。

表1 光伏水泵實例工程基本參數Tab.1 Photovoltaic pump instance engineering basic parameters

7套系統中,光伏系統與水泵功率的配置大于144%的5套系統運行狀況良好,能夠達到水泵額定工作點功率。對配比為121%的系統實際運行進行了全天測試，系統啟動時間在上午9∶00左右，啟動輻照強度為350 W/m2，停止抽水時間為在下午17∶25左右，全天運行時間近8.5 h。得到系統啟動時直流電壓為582 V，電機交流電流 17.3 A，電機三相交流電壓為386 V。當輻照強度超過850 W/m2以后直至全天最大輻照強度1 044 W/m2，水泵工作電機三相交流電壓變化范圍在(531～540 V)、交流電流在(31.6～32.6 A)、輸入功率(16.8～17.6 kW)相對較穩定，持續時間大約在3.5～4 h，由于系統中的配配比關系為121%(較低)，系統在輻照最強時輸入功率也沒有達到水泵功率(18.5 kW)。

從以上的分析知道，系統組件與水泵電機配比為121%，在不考慮系統衰減時，系統達到額定功率抽水時間為每天4 h左右，與實測值吻合較好。從實際測量結果看，系統全天抽水時間遠大于4 h(接近8 h)。從水泵啟動點與停止點時，水泵工作的電壓、電流與功率可以看出，水泵在很長一段時間內沒有處在額定功率點處，在系統安裝時，提水高度沒有達到水泵標定揚程的高度，即系統處于欠工作狀態，這一點，從實際測試結果也得到了驗證。

4 結 語

實例工程運行情況良好的系統得到的光伏組件功率與水泵功率的配置與本文提出的計算公式所得結果較為吻合，說明本文提出的計算方案是可行的，能為今后的光伏水泵系統工程設計提供參考。

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[1] 蘇建徽.光伏水泵系統及其控制的研究[D].合肥：合肥工業大學,2003．

[2] 余世杰,何慧若,蘇建徽.光伏水泵系統[J].太陽能,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] 朱勛夢,劉祖明,王文儀，等.小型太陽能直流水泵的性能實驗研究[J].節水灌溉,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.

[7] 謝 磊,余世杰,王 飛，等.光伏水泵系統配置優化的實驗及仿真研究[J].太陽能學報,2009,30(11):1 454-1 460.

[8] CNCA CTS 0004-2009A，并網光伏發電專用逆變器技術條件[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.