日照能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)

協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院 ■ 謝磊鄧偉

日照能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)

協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計(jì)研究總院 ■ 謝磊*鄧偉

提出了一種能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)仿真工具對(duì)日照強(qiáng)度及系統(tǒng)揚(yáng)程對(duì)光伏水泵的系統(tǒng)效率及出水量的影響進(jìn)行了仿真分析，最后給出了提高系統(tǒng)日出水量的日照能量?jī)?yōu)化利用原則。

光伏水泵系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；系統(tǒng)效率；出水量

0 引言

無(wú)電地區(qū)的供水問(wèn)題成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原因[1,2]，光伏水泵因其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為了供水的優(yōu)選方案。然而，由于受到成本等因素的限制，大部分光伏水泵系統(tǒng)中未配置儲(chǔ)能電池，這意味著當(dāng)日照能量低于某一閾值時(shí)，光伏水泵的出力會(huì)因?yàn)闈M足不了靜揚(yáng)程所需功率而導(dǎo)致無(wú)法出水，降低了光伏水泵的利用率，也造成了日照能量的浪費(fèi)。本文基于能量?jī)?yōu)化利用的思想，通過(guò)對(duì)光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，對(duì)日照強(qiáng)度、系統(tǒng)揚(yáng)程對(duì)光伏水泵系統(tǒng)效率和出水量的影響進(jìn)行分析，總結(jié)出提高系統(tǒng)效率和出水量的能量?jī)?yōu)化利用原則。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為本文提出的能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)，其由光伏陣列、MPPT光伏水泵控制器、水泵切換裝置、水泵系統(tǒng)、流量傳感器組成。水泵切換裝置根據(jù)流量傳感器返回的流量數(shù)據(jù)對(duì)水泵1和水泵2的工作進(jìn)行控制。

圖1 能量?jī)?yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 日照強(qiáng)度分布模型

本文采用的日照強(qiáng)度分布模型[3]為：

式中，Gm為峰值日照強(qiáng)度，W/m2；T為每天的總?cè)照招r(shí)數(shù)；t為一天中的某一日照時(shí)刻。

2.2 光伏陣列模型

光伏陣列的模型可描述為[4]：

式中，Isc為光伏組件的短路電流，A；Voc為光伏組件的開(kāi)路電壓，V；ΔI為由于日照及溫度變化所帶來(lái)的電流增量，A；ΔV為受日照、溫度變化及串聯(lián)體電阻Rs所造成的電壓增量，V；C1、C2為相關(guān)系數(shù)。

2.3 離心泵與管路模型

離心泵的H-Q特性曲線可表示為[5,6]：

式中，H為系統(tǒng)揚(yáng)程，m；Q為流量，m3/h；a、b、c為模型參數(shù)。

管路的H-Q特性曲線可描述為：

式中，Hp為水泵系統(tǒng)的揚(yáng)程，m；H1為系統(tǒng)揚(yáng)水高度，m；kp為管路系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)和仿真

3.1 實(shí)驗(yàn)

為便于進(jìn)行仿真分析，本文選用了R95-DF-04和R95-BF-06兩種規(guī)格的離心泵[7]，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)其H-Q特性進(jìn)行了曲線擬合，所得的擬合系數(shù)如表1、表2所示。

表1 R95-DF-04的擬合系數(shù)

表2 R95-BF-06的擬合系數(shù)

利用Matlab工具和表1、表2中的擬合系數(shù)，可得到如圖2a、2b所示的H-Q特性擬合曲線。從圖2中可看出，擬合曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)吻合程度很好，擬合系數(shù)可用于光伏水泵的建模。

圖2 H-Q特性擬合曲線

3.2 仿真

本文采用Simulink建立了如圖3所示的系統(tǒng)仿真模型，并基于此模型對(duì)R95-DF-04水泵系統(tǒng)、R95-BF-06水泵系統(tǒng)、復(fù)合水泵系統(tǒng)(R95-DF-04和R95-BF-06可切換)進(jìn)行了不同日照強(qiáng)度、揚(yáng)程、切換日照強(qiáng)度下的系統(tǒng)效率和日出水量的仿真分析。

圖4a、4b分別是在不同揚(yáng)程下，R95-DF-04水泵系統(tǒng)、R95-BF-06水泵系統(tǒng)和復(fù)合水泵系統(tǒng)在最高日照強(qiáng)度Smax=1000 W/m2下，切換日照強(qiáng)度為800 W/m2的系統(tǒng)平均效率和日出水量的仿真結(jié)果。

圖3 光伏水泵系統(tǒng)的仿真模型

圖4 3種水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率和日出水量

由圖4a可看出，當(dāng)揚(yáng)程低于14 m時(shí)，R95-DF-04水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)；復(fù)合水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率在揚(yáng)程低于17 m時(shí)，均高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)，并且?guī)缀踉谌珦P(yáng)程范圍內(nèi)，復(fù)合水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率均優(yōu)于R95-DF-04水泵系統(tǒng)。

由圖4b可看出，3種水泵系統(tǒng)的日出水量與水泵系統(tǒng)效率的規(guī)律類(lèi)似。因此，可以以日出水量作為評(píng)判水泵系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5為在最高日照強(qiáng)度Smax=1000 W/m2下，不同切換日照強(qiáng)度(800 W/m2和600 W/m2)時(shí)的復(fù)合水泵系統(tǒng)日出水量的對(duì)比。

由圖5可知，當(dāng)揚(yáng)程低于10 m且切換日照強(qiáng)度為600 W/m2時(shí)，可獲得比切換日照強(qiáng)度為800 W/m2時(shí)更多的日出水量；當(dāng)揚(yáng)程高于10 m時(shí)，情況恰恰相反。

圖6為最高日照強(qiáng)度Smax=700 W/m2、復(fù)合水泵系統(tǒng)切換日照強(qiáng)度為600 W/m2時(shí)，3種水泵系統(tǒng)日出水量的對(duì)比。

圖5 不同切換日照強(qiáng)度下的日出水量對(duì)比

圖6 Smax=700 W/m2時(shí)的日出水量

由圖6可知：1) 3種水泵系統(tǒng)的最高出水揚(yáng)程及日出水量相較于最高日照強(qiáng)度Smax=1000 W/m2時(shí)的情況，均有明顯下降。2) R95-DF-04水泵系統(tǒng)在揚(yáng)程低于6 m時(shí)，日出水量高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)。而復(fù)合水泵系統(tǒng)則在揚(yáng)程低于9 m時(shí)，有高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)的出水量；且在全揚(yáng)程范圍內(nèi)，復(fù)合水泵系統(tǒng)的日出水量均優(yōu)于R95-DF-04水泵系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文對(duì)光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，以不同的系統(tǒng)揚(yáng)程為前提，將最高日照強(qiáng)度、不同切換日照強(qiáng)度對(duì)3種不同類(lèi)型光伏水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率、日出水量的影響進(jìn)行了仿真分析，最終得出以下日照能量?jī)?yōu)化利用的原則：

1) 當(dāng)最高日照強(qiáng)度一定時(shí)，系統(tǒng)揚(yáng)程對(duì)水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率和日出水量有十分明顯的影響。當(dāng)揚(yáng)程確定時(shí)，應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)于與此揚(yáng)程下的具有更高系統(tǒng)效率或日出水量的水泵系統(tǒng)。

2) 復(fù)合水泵系統(tǒng)在全揚(yáng)程范圍內(nèi)，均可獲得優(yōu)于R95-DF-04水泵系統(tǒng)的日出水量；與R95-BF-06水泵系統(tǒng)相比，則需要根據(jù)揚(yáng)程大小進(jìn)行合理選擇。

3) 不同最高日照強(qiáng)度對(duì)3種水泵系統(tǒng)的最高日出水量所對(duì)應(yīng)揚(yáng)程閾值的影響也十分顯著。Smax=1000 W/m2且當(dāng)揚(yáng)程低于8 m時(shí)，R95-DF-04水泵系統(tǒng)日出水量最大；當(dāng)揚(yáng)程介于8 m與17 m之間時(shí)，復(fù)合水泵系統(tǒng)日出水量最大；當(dāng)揚(yáng)程高于17 m時(shí)，R95-BF-04水泵系統(tǒng)日出水量最大。而在最高日照強(qiáng)度Smax=700 W/m2時(shí)，上述揚(yáng)程閾值點(diǎn)分別下降至6 m和9 m。

4) 當(dāng)最高日照強(qiáng)度確定時(shí)，不同揚(yáng)程、不同切換日照強(qiáng)度對(duì)復(fù)合水泵系統(tǒng)的最高日出水量也有一定影響，應(yīng)根據(jù)揚(yáng)程所在區(qū)間合理選擇不同的切換日照強(qiáng)度以優(yōu)化日出水量。

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2016-10-25

謝磊 (1981—)，男，博士、高級(jí)工程師，主要從事太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)方面的研究。spray_xl@163.com