小型移動式光伏水泵試驗臺的設計

◎ 梁國珍，楊麗彥，高小梅

（1.鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南工業(yè)大學，河南 鄭州 450001；3.河南機電職業(yè)學院，河南 鄭州 451100）

鄭州地區(qū)太陽能資源較為豐富且比較穩(wěn)定[1]，具有很好的應用前景。然而，經(jīng)查國內外期刊數(shù)據(jù)庫，鄭州地區(qū)光伏水泵系統(tǒng)的研究與應用鮮有報道。因此，本文針對鄭州地區(qū)的日照條件展開設計了一種小型移動式光伏水泵試驗臺，旨在探索鄭州地區(qū)推廣應用小型光伏水泵系統(tǒng)的可行性，探討小型光伏水泵系統(tǒng)在鄭州地區(qū)的應用條件和推廣價值。

1 小型移動式光伏水泵試驗臺的設計思路

小型光伏水泵系統(tǒng)中，控制器體積比較小、安裝布置方便[2]，所以小型移動式光伏水泵試驗臺的結構設計應重點考慮光伏陣列和電機水泵總成的安裝與布置。光伏陣列由光伏組件串并聯(lián)而成，光伏組件的主要結構特點是表面積較大、尺寸不一，例如單塊HSL72P6-PC-1-32光伏組件的尺寸可達1972 mm×992 mm×40 mm。此外，為了正對太陽光照從而獲取最大輻射強度，光伏組件的方位角和傾角應連續(xù)可調或者能夠自動追日[3]。為滿足小型光伏水泵試驗臺的移動式要求，需要將小型電機水泵總成浸沒在水箱中[4]。然而，市面上的小型電機水泵總成外廓尺寸各不相同，例如M4810T-120型電動離心泵和螺桿泵要求適用井徑大于150 mm；3DS-14型電動潛水泵要求適用井徑大于310 mm；本文選用的3DS-4-0030-100型電機水泵總成要求適用井徑大于290 mm。

根據(jù)上述光伏組件和電機水泵總成結構尺寸的分析，本文選用的SSL56P36-35光伏組件、3DS-4-0030-100型電機水泵總成[5]，開展小型移動式光伏水泵試驗臺的結構設計與搭建，主要設計思路與要求為：①充分考慮大多數(shù)小型電機水泵總成的外廓尺寸，設計并選用體積較小、便于安裝布置的水箱，以完全浸沒電機水泵總成、滿足正常泵水為標準判定是否適用。②根據(jù)裝滿水的水箱、電機水泵總成、光伏組件的總質量合理選擇水箱支撐架的材料，設計支撐架構件的外形和尺寸，要求各個構件采用螺栓連接，由此使得加工、組裝、拆卸方便。③在水箱支撐架的基礎上，設計光伏組件安裝架，要求光伏組件安裝架的尺寸和傾角在一定范圍內可以連續(xù)調整。④預留控制箱位置，并進行適當?shù)乃姼綦x。⑤選擇、安裝萬向腳輪和手推柄，以滿足試驗臺小車移動行走需要。

2 水箱的選型

由于市面上大多數(shù)小型電機水泵總成的外形輪廓為細長圓柱體，加之要防止行走移動過程中濺水打濕控制線路，本文將水箱設計為上部縮口的圓柱型來浸沒電機水泵總成，如圖1a所示。為便于戶外實驗和推廣展示，要求盡可能減小水箱的體積。水箱的體積應根據(jù)水泵的流量進行計算確定，水泵的體積泵水量公式（1）計算。

式（1）中，V為水箱體積，單位：m3；Q為水泵額定流量，單位：m3·h-1；t為時間，單位：h。

就選定的3DS-4-0030-100型電機水泵總成而言，其額定流量Q=0.3 m3·h-1，則滿負荷工作1 h所需的體積泵水量為V=Qt=0.3 m3·h-1×1 h=0.3 m3。因此，本文將圖1a所示的水箱圓柱部分體積設定為0.3 m3，即300 L。

在水箱圓柱部分體積確定的情況下，接下來需要考慮電機水泵總成的適用井徑和高度。為適應市場上大部分廠家的小型電機水泵總成的適用井徑要求，以及方便吊裝電機水泵總成進出水箱，需要較大的水箱縮口直徑，這就要求水箱的縮口直徑應在400 mm左右，而其圓柱部分的直徑應大于400 mm。本著輕量化便于運輸?shù)脑瓌t，本文根據(jù)0.3 m3的圓柱體積要求和400 mm的縮口直徑要求，初步選定了市場上在售的PT300塑料水箱，如圖1b所示。PT300塑料水箱的圓柱直徑為D=705 mm，圓柱垂直高度h=770 mm，縮口直徑d=450 mm，總高H=925 mm，其圓柱部分的盛水體積為V=πD2h/4=0.300 6 m3。

圖1 設計的縮口型圓柱水箱與PT300水箱實物圖

因此，PT300塑料水箱完全可以浸沒3DS-4-0030-100型電機水泵總成，達到設計要求。PT300水箱采用原生塑料，在太陽光下老化較慢，廠家設計的使用壽命為5年。此外，PT300塑料水箱的上部和下部分別有進水口和排水口，進水口加裝接頭后可將電機水泵總成的出水回收到水箱內，可以滿足更大流量電機水泵總成的實驗需要。

3 水箱支撐架與控制箱的設計

根據(jù)前述PT300塑料水箱的結構尺寸，本文設計的水箱支撐架如圖2所示，具體尺寸數(shù)據(jù)：長750 mm，寬750 mm，高1 000 mm。為防止電機水泵總成觸底而壓壞水箱底部，在圖2的水箱支撐架頂部加裝了兩根角鐵，用于吊起浸沒于水箱中的電機水泵總成，從而起到加強試驗系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

圖2 水箱支撐架與控制箱的設計圖

為便于布線，本文在圖2的前端設計了一個長300 mm、寬750 mm、高600 mm的長方體箱架作為控制箱。箱架主要用來安裝和放置控制器、溫度計、輻射儀、電流表、電壓表、壓力表、流量表和蓄電池等。出于承重較輕的考慮，箱架底部鋪設了280 mm×720 mm的花紋板。為防止電機水泵總成揚水過程中的水濺到控制箱而打濕控制器等儀表，本文在控制箱與水箱支撐架的連接面以及控制箱的上表面鋪設了防靜電復合膠板，也起到擋水板的作用。當然，也可以考慮在箱架的其余三個面上裝合頁和門，由此形成一個封閉的控制箱。

由于水箱支撐架和控制箱需要承載水箱、300 L水、電機水泵總成、光伏組件及蓄電池等附屬部件的質量，是小型光伏水泵試驗臺的主要承力部件，所以選定的型材為角鐵L40X40/Q235-A，并在底部加裝加強筋。

4 光伏陣列安裝架的設計

出于成本和實用性考慮，本文設計的光伏組件安裝架的傾角調整不考慮自動追日裝置，采用人工調節(jié)方式。鄭州市主城區(qū)位于北緯34°14′～35°54′。對于冬至日發(fā)電量最大的情況，采用所在緯度加11°的組件水平傾角，約為45°14′～46°54′，則光伏組件安裝架的最大傾角為46°54′。對于夏至日發(fā)電量最大的情況，采用所在緯度減11°的組件水平傾角，即23°14′～24°54′，則光伏組件的最小傾角為23°14′。基于以上分析，光伏組件傾角的理論可調范圍在23°14′～46°54′，即可滿足鄭州地區(qū)的實驗要求。為便于向鄭州周邊地區(qū)推廣和應用，增大設計冗余度，本試驗臺的光伏組件的實際傾角角度設計為18°～51°連續(xù)可調。

在水箱支撐架的基礎上，本文設計的光伏組件安裝架如圖3所示。可以看出，光伏組件安裝架分為兩組架盤，分列于水箱支撐架的兩側。架盤長1 800 mm（實際使用1 666 mm），寬500 mm（實際使用400 mm），架盤材質采用角鐵L30X30/Q235-A。以選定的SSL56P36-35光伏組件為例，該組件長780 mm，寬350 mm，則每個架盤可布置2塊SSL56P36-35光伏組件。兩組架盤的下方采用一根長1 800 mm的六分管活動連接于支撐架的前端，六分管兩端加鎖銷定位。架盤上部下方有與架盤成90°的連接桿，連接桿長780 mm，在連接桿上開有長350 mm、寬10 mm的滑道。與此對應，水箱支撐架的兩翼布置了光伏陣列安裝架的托架，托架外側角鐵的中部開有長350 mm、寬10 mm的滑道。上述兩組滑道交叉連接，并采用蝶形螺母固定，通過滑道手動調節(jié)，即可實現(xiàn)光伏組件安裝架在18°～51°范圍內的傾角連續(xù)可調。

圖3 光伏組件安裝架和控制箱的布置圖

由于市面上各類光伏組件尺寸不一，考慮到光伏組件安裝架的廣泛適用性，本文對上述兩組架盤進行了冗余設計。如圖4所示，伸縮式光伏組件架盤的設計思路為：每一組合架盤（b）由兩個對稱的半架盤（a）通過螺栓連接組成，通過在半架盤上開滑道來實現(xiàn)長度方向上405 mm～1 800 mm范圍內的任意可調，寬度方向上380 mm～440 mm范圍內的任意可調，從而使該架盤適用于市場上大多數(shù)光伏組件的尺寸。通過該冗余設計還可以在兩組光伏組件安裝架之間布置一塊尺寸在1 200 mm×750 mm以內任意尺寸的固定傾角（鄭州地區(qū)41.72°）的光伏組件。

圖4 伸縮式光伏組件架盤圖

5 腳輪和手推柄的布置

為了短距離移動和調整光伏陣列的方位角，本文在上述小型光伏水泵試驗臺框架設計的基礎上加裝腳輪和手推柄。4個腳輪分別位于水箱支撐架的后部和控制箱的前部。考慮到試驗臺自重、電機水泵總成、盛滿水后的水箱以及光伏陣列的總質量，4個腳輪采用載重尼龍工業(yè)輪。如圖5所示，前輪為定向輪，后輪為萬向輪并加裝剎車。弧形設計的腳輪輪面與地面摩擦力小，推拉輕便、省力；腳輪中軸為實心圓軸，萬向輪底部軸承為雙面壓力軸承，較為耐用，既可以保證實驗平臺穩(wěn)定性，又可以滿足移動行走需要。為了方便試驗臺橫向移動、調節(jié)光伏陣列的方位角，本文在水箱支撐架的后側，距底面高900 mm處增設了長150 mm、寬600 mm的手推柄。

6 小型移動式光伏水泵試驗臺的整體結構

經(jīng)過上述各個主要組成部件的設計和布置，水箱內吊裝3DS-4-0030-100型電機水泵總成的小型移動式光伏水泵試驗臺（小車）三維模型如圖5所示。該試驗臺的材料主要采用角鐵L40X40/Q235-A、角鐵L30X30/Q235-A、六分管等標準型材，各個組成部件的主要尺寸如圖6所示。

圖5 小型移動式光伏水泵試驗臺的三維模型圖

圖6 小型移動式光伏水泵試驗臺三視圖

7 結語

本文詳盡描述了小型光伏水泵系統(tǒng)試驗臺的設計思路、設計結構及參數(shù)，具有穩(wěn)定、可靠、結構簡單，成本低等優(yōu)點。該試驗臺全部采用螺栓連接，使得試驗臺的制作、安裝和拆卸簡易方便。為查明鄭州地區(qū)推廣應用小型光伏水泵系統(tǒng)的可行性，為鄭州地區(qū)推廣應用小型光伏水泵系統(tǒng)提供有價值的參考依據(jù)。