太陽(yáng)能泵動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性試驗(yàn)測(cè)試

邱 勇，狄 猛，談明高，唐曉晨，劉厚林

（1.江蘇振華海科裝備科技股份有限公司，江蘇泰州 225500；2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

太陽(yáng)能泵一般指太陽(yáng)能水泵，主要是利用光伏陣列裝置將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能，為負(fù)載的水泵和電機(jī)提供正常工作所需要的電力。在日照充足、尤其是缺電供電困難的邊遠(yuǎn)地區(qū)，太陽(yáng)能泵系統(tǒng)是最具吸引力的供水方式，系統(tǒng)不需人員看管，無(wú)需柴油和電網(wǎng)，從而大大節(jié)約了運(yùn)行成本。同時(shí)，太陽(yáng)能資源清潔，利于環(huán)境保護(hù)。

太陽(yáng)能泵系統(tǒng)發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行性能開(kāi)展了多方面的研究。Alonso［1］等對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和家用水泵抽水的能量需求進(jìn)行了詳細(xì)研究，闡明了太陽(yáng)能泵的工作原理。王明飛［1］使用基于SI4463 標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能無(wú)線灌溉控制器，以太陽(yáng)能為電源，可以達(dá)到長(zhǎng)期工作無(wú)需更換電池的目的，并且在控制雙路灌溉閥門的同時(shí)可以完成水量信息采集工作，在農(nóng)田測(cè)試中運(yùn)行穩(wěn)定。Edzard［3］等從農(nóng)作物的需水問(wèn)題與供水最優(yōu)化問(wèn)題出發(fā)，探討了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在灌溉設(shè)備中的應(yīng)用，將日間水泵出水余量?jī)?chǔ)存在地勢(shì)較高的水塔中以滿足夜間灌溉需求，從系統(tǒng)整體合理分配能效的角度解決了光伏灌溉供水不均勻的問(wèn)題。Masheleni［4］等通過(guò)使用精密控制器對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行良好的控制，顯著提高了系統(tǒng)的效率。羅斌［5］等針對(duì)傳統(tǒng)噴灌系統(tǒng)在山地缺電地區(qū)運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題，研究了光伏自動(dòng)灌溉系統(tǒng)在山地運(yùn)行的可行性和穩(wěn)定性，提出了一種基于太陽(yáng)能自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)，有效提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。Carrêlo［6］等研究指出近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)應(yīng)用電費(fèi)的急劇增加，消除阻礙大功率光伏灌溉系統(tǒng)（PVIS）的技術(shù)壁壘可使光伏噴灌系統(tǒng)的性價(jià)比大幅提升。Tamilvanan［7］等研究了一種太陽(yáng)能滴灌技術(shù)，通過(guò)光伏發(fā)電減少了電池的使用周期，減少了整體能量消耗。徐政［8］等基于不同轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程的條件下對(duì)多種光伏水泵進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)揚(yáng)水效率進(jìn)行分析對(duì)比，探討并總結(jié)了系統(tǒng)的優(yōu)化選型規(guī)則。劉厚林［1］等根據(jù)光伏水泵運(yùn)行時(shí)流量以及揚(yáng)程的變化特性，采用不同的額定流量與最大流量之比與系統(tǒng)匹配并做了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明泵負(fù)載流量-揚(yáng)程特性斜度較大的更適合太陽(yáng)能泵全工況運(yùn)行。Bouzidi［10］針對(duì)阿爾及利亞的撒哈拉沙漠地區(qū)資源缺乏的問(wèn)題，研究了太陽(yáng)能抽水系統(tǒng)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的應(yīng)用，并對(duì)光伏陣列、貯水池及抽水系統(tǒng)產(chǎn)生的水進(jìn)行優(yōu)化利用，通過(guò)敏感性分析得出，在沙漠地區(qū)太陽(yáng)能水泵比傳統(tǒng)水泵更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

雖然對(duì)太陽(yáng)能泵系統(tǒng)有了一定的研究，然而目前有關(guān)日照輻射強(qiáng)度變化對(duì)太陽(yáng)能泵系統(tǒng)輸出特性的影響研究還較少。為此，本文在搭建太陽(yáng)能泵系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，對(duì)日照輻射強(qiáng)度瞬變?yōu)椤?00 W/m2和±200 W/m2的光伏陣列輸出特性和泵出口壓力脈動(dòng)進(jìn)行了研究和分析，為開(kāi)發(fā)高效穩(wěn)定的太陽(yáng)能泵提供一定的參考。

1 太陽(yáng)能泵性能測(cè)試系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)測(cè)試裝置

本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的手段來(lái)測(cè)試太陽(yáng)能泵系統(tǒng)的性能和運(yùn)行特性，圖1為測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)式試驗(yàn)臺(tái)及各組件示意圖［11］。

圖1 太陽(yáng)能泵系統(tǒng)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Performance test bench for solar pump system

1.2 試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器

試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)量?jī)x器為光伏發(fā)電組件模擬電源、太陽(yáng)能泵控制器、壓力脈動(dòng)傳感器、壓力變送器、電磁流量計(jì)和泵輸出參數(shù)測(cè)試儀等，實(shí)現(xiàn)性能參數(shù)的同步采集。系統(tǒng)測(cè)試所需的儀器性能參數(shù)如表1所示。

表1 太陽(yáng)能泵性能測(cè)量?jī)x器及性能參數(shù)Tab.1 Performance measurement instrument and performance parameters of solar pump

1.3 試驗(yàn)方案

針對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度瞬態(tài)變化情況，在試驗(yàn)裝置最優(yōu)配置條件下對(duì)不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化梯度光伏陣列輸出功率和泵出口壓力脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。

為了研究光伏水泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，基于光伏陣列模擬電源，測(cè)量了日照強(qiáng)度瞬態(tài)變化（瞬態(tài)變化時(shí)間為1 s）幅度為±100 W/m2（500～600，600～700，700～800，800～900，900～1 000 W/m2）和±200 W/m2（400～600，600～800，800～1 000 W/m2）下的光伏陣列輸出特性和水泵出口的壓力脈動(dòng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光伏陣列輸出功率變化研究分析

2.1.1 關(guān)于日照輻射瞬態(tài)升高的光伏陣列輸出功率變化研究

圖2為日照輻射強(qiáng)度瞬態(tài)升高時(shí)光伏陣列輸出功率變化曲線。從圖2中可以得出，日照輻射瞬態(tài)升高前，光伏陣列功率輸出較為穩(wěn)定。日照輻射瞬態(tài)升高后，系統(tǒng)在2～3 s 內(nèi)趨于穩(wěn)定。當(dāng)日照輻射低于700 W/m2時(shí)，光伏陣列輸出功率波動(dòng)較大，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性降低。這是因?yàn)殡S著日照輻射的降低，水泵運(yùn)行工況逐漸向小流量偏移，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行。

從圖2（a）可以看出，隨著基礎(chǔ)日照輻射的增加，光伏陣列在日照輻射瞬態(tài)變化后達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需的時(shí)間逐漸縮短，輸出功率升高幅度逐漸降低。400～500 W/m2與900～1 000 W/m2達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)間相差3 s。日照輻射900～1 000 W/m2時(shí)，光伏陣列耗時(shí)1.5 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)。這是因?yàn)殡S著基礎(chǔ)日照輻射的增加，水泵功率逐漸趨于額定值，受日照輻射瞬變的影響逐漸減小。從圖2（b）可以看出，日照輻射瞬態(tài)升高幅度較大時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間增加，瞬態(tài)響應(yīng)在2～3 s 達(dá)到穩(wěn)態(tài)。隨著基礎(chǔ)日照輻射的增加，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短。與圖2（a）相比，光伏陣列均在高基礎(chǔ)日照輻射下較快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但升高幅度均較小。當(dāng)?shù)突A(chǔ)日照輻射瞬態(tài)增加時(shí)，光伏陣列功率輸出均出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象。

圖2 日照輻射強(qiáng)度瞬態(tài)升高時(shí)光伏陣列輸出功率變化Fig.2 The variation of output power of photovolt array with transient increase of sunshine radiation

對(duì)比兩種日照瞬態(tài)變化速率，結(jié)合圖2（a）（b）可以看出，日照輻射瞬態(tài)升高值較大時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到同樣光照強(qiáng)度下的穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間增加2 s。例如當(dāng)日照輻射從800 W/m2瞬態(tài)升高至1 000 W/m2時(shí)分為兩種方式即：一從800 W/m2直接升高至1 000 W/m2；二是先瞬態(tài)升高至900 W/m2，再瞬態(tài)升高至1 000 W/m2。如圖3所示。由圖3 可以看出，方式一達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間比方式一多2 s。這是因?yàn)殡S著日照輻射瞬態(tài)變化值的增加，控制器進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。相較于100 W/m2的瞬態(tài)增加幅度，當(dāng)日照輻射瞬態(tài)增加200 W/m2時(shí)，光伏陣列出現(xiàn)振蕩功率輸出。

圖3 800～1 000 W/m2兩種瞬態(tài)升高方式對(duì)比Fig.3 Comparison of two transient rise methods of 800-1000W/m2

2.1.2 關(guān)于日照輻射瞬態(tài)上升的光伏陣列輸出功率變化研究

圖4 為日照輻射瞬態(tài)降低時(shí)光伏陣列輸出功率變化曲線。由圖4（a）可以看出，日照輻射瞬態(tài)降低前，光伏陣列輸出穩(wěn)定；日照輻射瞬態(tài)降低時(shí)，隨著基礎(chǔ)日照輻射的增加，光伏陣列出現(xiàn)明顯的振蕩輸出特性；當(dāng)瞬態(tài)降低出現(xiàn)在基礎(chǔ)日照輻射低于800 W/m2時(shí)，光伏陣列輸出功率出現(xiàn)先快速下降再緩慢上升直至穩(wěn)定運(yùn)行的現(xiàn)象，這可能是瞬態(tài)降低時(shí)間較短，最大功率點(diǎn)追蹤的響應(yīng)無(wú)法適應(yīng)于該狀況，日照輻射強(qiáng)度穩(wěn)定后，對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。從圖4（b）可以看出，日照輻射瞬態(tài)降低較大時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間顯著增加，瞬態(tài)響應(yīng)在5～15 s 達(dá)到穩(wěn)態(tài)。日照輻射在1 000～800 W/m2時(shí)，光伏陣列輸出功率呈現(xiàn)波動(dòng)狀。對(duì)比兩種變化方式，結(jié)合圖4（a）（b）可以看出，相較于100 W/m2瞬態(tài)降低幅度，當(dāng)日照輻射瞬態(tài)降低200 W/m2時(shí)，光伏陣列輸出性能出現(xiàn)明顯下降，系統(tǒng)達(dá)到同樣光照強(qiáng)度下的穩(wěn)態(tài)需要的時(shí)間更長(zhǎng)，增加約2 s。這是因?yàn)楫?dāng)日照輻射瞬態(tài)降低較大時(shí)，光伏陣列輸出瞬間下降較多，水泵轉(zhuǎn)速出現(xiàn)突然下降造成流動(dòng)紊亂并且控制器難以進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤，二者互相影響從而造成光伏陣列輸出波動(dòng)的現(xiàn)象。

圖4 日照輻射強(qiáng)度瞬態(tài)時(shí)降低光伏陣列輸出功率變化Fig.4 The variation of output power of photovolt array with transient decrease of sunshine radiation

2.2 泵出口壓力脈動(dòng)變化研究分析

2.2.1 關(guān)于日照輻射瞬態(tài)上升的泵出口壓力脈動(dòng)變化研究

圖5為日照輻射強(qiáng)度瞬態(tài)升高時(shí)泵出口壓力變化曲線。從圖5（a）可以看出，隨著基礎(chǔ)日照輻射升高，泵出口壓力響應(yīng)時(shí)間逐漸減小。瞬態(tài)上升為900～1 000 W/m2的日照輻射時(shí)響應(yīng)時(shí)間最短，約0.08 s，而日照輻射瞬態(tài)改變?yōu)?00～600 W/m2時(shí)的響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，大約1.9 s。從圖5（b）可以看出，隨著基礎(chǔ)日照輻射增加，泵壓力更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，響應(yīng)時(shí)間從2 s逐漸向0.5 s靠近。泵出口壓力上升幅度隨著基礎(chǔ)日照幅度的增加而遞減。這是因?yàn)殡S著基礎(chǔ)日照輻射的增加，泵轉(zhuǎn)速逐漸上升并且轉(zhuǎn)速受日照輻射影響逐漸降低，進(jìn)而泵出口壓力能較快達(dá)到穩(wěn)定。從圖5（c）、（d）、（e）可以發(fā)現(xiàn)，相較于100 W/m2的瞬態(tài)增加幅度，當(dāng)日照輻射瞬態(tài)增加到200 W/m2時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間顯著增加。低基礎(chǔ)日照輻射下，較大的瞬態(tài)日照輻射增加，更易引起泵出口的不穩(wěn)定壓力波動(dòng)。日照輻射接近1 000 W/m2時(shí)，最大功率點(diǎn)追蹤性能更強(qiáng)，這是因?yàn)楫?dāng)日照輻射為1 000 W/m2時(shí)，太陽(yáng)能泵系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近運(yùn)行，最大功率追蹤點(diǎn)適應(yīng)性更強(qiáng)。

圖5 日照輻射瞬態(tài)升高泵出口壓力變化Fig.5 Variation of pump outlet pressure with transient increase of sunshine radiation

2.2.2 關(guān)于日照輻射瞬態(tài)下降的泵出口壓力脈動(dòng)變化研究

圖6 為日照輻射瞬態(tài)降低時(shí)泵出口壓力變化曲線。從圖6（a）和（b）可以看出，隨著基礎(chǔ)日照輻射降低，泵出口壓力均出現(xiàn)先降后升再逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，與光伏陣列輸出功率的變化相對(duì)應(yīng)。由于日照輻射在1 000～900 W/m2和1 000～800 W/m2時(shí)，光伏陣列輸出功率出現(xiàn)較大的波動(dòng)，導(dǎo)致泵出口壓力脈動(dòng)出現(xiàn)明顯的周期性波動(dòng)，但泵出口壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間遠(yuǎn)小于光伏陣列所需時(shí)間；從圖6（c）、（d）、（e）可以看出，隨著基礎(chǔ)日照輻射的增加，泵出口壓力在較大瞬態(tài)日照輻射增加下需要花費(fèi)更久的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)態(tài)；800～600 W/m2與700～600 W/m2最終日照輻射強(qiáng)度都為600 W/m2，此時(shí)的泵出口壓力脈動(dòng)幾乎一致，而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中最大功率點(diǎn)追蹤限制了這種變化，使得響應(yīng)時(shí)間較大，故而試驗(yàn)時(shí)瞬變后3 s 內(nèi)泵出口壓力脈動(dòng)顯著變化。

圖6 日照輻射瞬態(tài)降低泵出口壓力變化Fig.6 Variation of pump outlet pressure with transient decrease of sunshine radiation

3 結(jié)論

日照強(qiáng)度瞬態(tài)變化直接影響了光伏陣列的輸出功率和太陽(yáng)能泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了揭示太陽(yáng)能泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化特性，本文研究了太陽(yáng)能泵系統(tǒng)在最優(yōu)配置下日照輻射瞬態(tài)變化時(shí)光伏陣列輸出功率和泵出口壓力脈動(dòng)動(dòng)態(tài)變化特性，從而為太陽(yáng)能水泵的運(yùn)行和設(shè)計(jì)提供參考。

（1）低基礎(chǔ)日照輻射下，較大的瞬態(tài)日照輻射增加，更易引起泵出口的不穩(wěn)定壓力波動(dòng)。

（2）日照輻射瞬態(tài)降低時(shí)，隨著基礎(chǔ)日照輻射的增加，光伏陣列出現(xiàn)明顯的振蕩輸出特性；日照輻射瞬態(tài)降低較大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間顯著增加，瞬態(tài)響應(yīng)在5～15 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

（3）日照輻射瞬態(tài)升高，光伏陣列的輸出功率顯著變化，瞬態(tài)響應(yīng)在3 s 內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。隨著基礎(chǔ)日照輻射的增加，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短。□