全自動光伏水泵系統的設計研究

王京剛，郝詠冰

（淄博市機電泵類產品質量檢驗研究院，山東淄博255200）

1 引言

現階段，由于光伏發電技術的快速發展，光伏水泵系統也得到了充分的改進與應用，并且已經大規模投入階段的生產與生活中，有效解決了水資源貧困地區的灌溉、飲水等問題。為了進一步提高光伏水泵系統的應用效果，應充分利用現代自動化技術對該系統進行升級，利用二維追日設備，進一步提升發電量，并結合自動控制系統和小容量的蓄電池有效解決太陽光照射強度不斷變化帶來的供水量降低等問題，從而確保水泵系統能夠長時間、穩定地供水，并提高水泵系統的出水量[1]。

2 自動控制系統設計

圖1 控制系統的工作原理圖

全自動光伏水泵系統的自動控制系統的設計，應使用單片機時鐘控制電路控制自動開關機與復位，并利用充放電控制電路和跟蹤控制電路實現整個系統的全自動運行，具體原理如圖1所示。

通過時鐘對電路的自動開關進行控制，對太陽光的強度進行檢測，如果太陽光的強度大于設定強度時，會自動開啟追日結構。同時，光伏電池板也會持續給蓄電池進行充電處理，在蓄電池內的電量達到90%以上時，會啟動水泵工作，利用充放電控制電路對電池板的發電率進行檢測。當實際發電率大于額定的發電率時，電池板不僅能支持水泵的工作，還能對蓄電池充電。如果電池板的發電率比額定的功率小，需要蓄電池與電池板持續為水泵供電。如果蓄電池內的電量低于25%，水泵會停止工作，電池板發出的電量將為蓄電池進行充電，而后進行良性循環控制。如果太陽的光照強度波動比較大，在蓄電池的緩沖作用下，能夠長時間為水泵提供電量，確保其持續運行，從而有效避免了水泵因頻繁啟動而造成的欠功率等現象，進一步延長水泵的使用壽命，也可以確保水泵的長時間運行效果。傍晚時，利用時鐘控制電路，而后將追日結構復位，從而使電池板能夠復原水平位置，在這時，風阻力也會降低到最小，有效保護了電池板和追日裝置，避免其受到風力的破壞，與此同時，整個系統也會進入休眠狀態，從而降低整個系統的能量消耗。水泵尚未開啟時，電池板給予的所有電量都能為蓄電池進行持續性充電，也可以對電池板的實際發電率進行記錄，而后推算出蓄電池的充電時間[2]。

3 測試

3.1 測試條件與測試結果

按照水泵的實際工作狀況與控制原理，正確地調整和選擇水泵的參數以及所匹配的電池板和蓄電池。將水泵的額定電壓設置為24V、額定的功率設置為300W、最大揚程為22m、最大流量為3.6m/h。同時，選擇4塊電池板進行并聯供電，其總功率應為360W，總工作電壓為30V，最短運行時間為20min。

在山東地區，在確保天氣晴朗的戶外條件下進行對比測試，對比項目分別為全自動光伏水泵系統與固定式光伏水泵系統，測試的時間為 6：00～18：00，測試結果如圖 2 所示。

圖2 測試結果圖

3.2 2種水泵系統經濟性對比分析

對2種不同的水泵系統進行經濟性分析與對比，具體如表1所示。

在全自動光伏水泵系統中加入了控制器件、追日裝置、蓄電池等部件，使該系統在安裝與維護過程中非常復雜，相比于固定光伏水泵系統，其成本要高出1.32倍，但是全自動光伏水泵系統的水量輸出高于固定光伏水泵系統的72%，綜合全面性價比分析，全自動光伏控制系統的綜合性價比要高于固定光伏水泵系統約20%。

表1 2種水泵系統經濟性對比分析

4 全自動光伏水泵系統的優勢

全自動光伏水泵系統利用的是可再生能源，通過該系統的作用能夠確保太陽光照射與農作物的實際需求量之間保持高度契合，對水資源缺少的地區，是一種可以值得人們高度信賴的新科技。

我國屬于水資源相對貧乏的國家，在西部干旱區域，利用全自動光伏水泵系統能夠有效將滲灌、滴灌以及微灌等技術進行結合，實現更加高效率的灌溉。同時，相比于固定式和傳統的柴油式水泵系統，全自動光伏水泵系統的可靠性與工作效率均高，并且有效降低了灌溉需要的成本，從而為偏遠地區的人們帶來了新的發展生機。具體來說，全自動光伏水泵系統的優勢可以分為以下5點：（1）該系統的使用時間比較長，而且符合環境保護的要求，也不會對水資源造成污染；（2）可靠性比較強，各種保護設施齊全；（3）綜合性價比較高，適用于水資源匱乏地區；（4）自動化控制，降低人力成本；（5）實現農作物與自然條件的高度契合[3]。

5 結語

綜上所述，為了進一步提高水泵系統的工作能力，應利用現有技術對全自動水泵系統進行深入研究，從而提高出水量，確保水泵系統運行的穩定性，為越來越多的人們提供安全、干凈的水資源。