微型光伏水泵系統(tǒng)有無蓄電池和控制器的性能對比研究*

張劍鋼, 楊康, 劉祖明, 廖華, 陳燕鵬, 昝錦羽

(云南師范大學(xué)太陽能研究所 云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，云南 昆明 650092)

光伏水泵亦稱太陽能水泵，主要由光伏組件方陣、光伏控制器(或控制逆變器，針對交流水泵)和水泵組成.太陽電池方陣由多塊太陽電池組件串并聯(lián)而成，吸收日照輻射能量，將其轉(zhuǎn)換為電能，為整個系統(tǒng)提供動力電源，日出而作，日落而歇，無需人員看管，不需要柴油、不需要電網(wǎng)，可與滴灌、噴灌、滲灌等灌溉設(shè)施配套應(yīng)用，節(jié)水節(jié)能，可大幅降低使用化石能源電力的投入成本.

目前的主流水泵以大功率水泵和工業(yè)水泵為主，但對那些經(jīng)濟落后、偏遠地區(qū)，且太陽能資源豐富的小戶人家而言這兩種系統(tǒng)將不再適用.云南很多地方都是分散小戶，需水量不大，大型水泵系統(tǒng)就顯得不是那么適用.為獲得最大功率，大都選擇最大功率跟蹤器，而這種裝置復(fù)雜、功率較大、成本也較高[1-4]，適用于用水量大的工業(yè)地區(qū).光伏水泵系統(tǒng)分直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)，相對直流系統(tǒng)，交流系統(tǒng)還必須安裝逆變器，其成本顯得更高.

小型太陽能直流水泵，能較好滿足在陽光充足、偏遠無電力地區(qū)供水問題，同時該系統(tǒng)成本也較低.一般兩到三年就可以收回成本，其經(jīng)濟效益高.設(shè)計微型光伏水泵系統(tǒng)，特別適合廣大山區(qū)農(nóng)村應(yīng)用.廣泛運用于生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉、林業(yè)澆灌、草原畜牧、景區(qū)噴泉、水處理工程等[5-6].但是，直接耦合光伏水泵系統(tǒng)[7]也有其缺點，比如：能量分散，間歇性大，地域性強，季節(jié)性差異大等.為了解決和改善這些不足，提高光伏水泵系統(tǒng)的實用性就需要配備一定的蓄電池(偏遠無電區(qū)更為有效可靠)，最重要的是這種系統(tǒng)并不是始終用于抽水，不抽水時，配上蓄電池，夜間也可用于照明等需要.因此本文主要針對有、無蓄電池情況下，微型光伏水泵系統(tǒng)的性能測試研究[8].全面認識各自的特征和適用性.

1 研究區(qū)概況

云南省地處中國西南邊陲，是一個輻照量豐富的地區(qū).昆明地處云貴高原中部，市中心海拔1 891 m.據(jù)氣象資料統(tǒng)計，昆明年均氣溫14.5 ℃，最熱月(7月)平均氣溫19.7 ℃，最冷月(1月)平均氣溫7.5 ℃，年溫差12～13 ℃.全年晴天較多，日照數(shù)年均2 445.6 h，日照率56%,有利于光伏水泵的推廣應(yīng)用.

2 試驗方法

40 W光伏組件一塊、光伏直流水泵一個、鉛酸蓄電池一個、充放電控制器一個、水桶兩只、水表一個、電路導(dǎo)線及接線頭(插板、插座)若干.

太陽能資源盡管很豐富，但有時常波動和變化的不穩(wěn)定特征.由此通過配備蓄電池和充放電控制器，來使光伏水泵保持連續(xù)、有效、穩(wěn)定的工作.為了定量的認識有、無控制器的性能差異，增設(shè)一個沒有配蓄電池和控制器的水泵進行對比試驗，兩種配置水泵工作時間相同，組件傾斜角都設(shè)為40度，方位角朝正南方向，揚程為4.25 m分別測量它們的工作電壓、電流、功率及抽水量.

3 結(jié)果與分析

輻照度是光伏水泵主要的影響因素，除此之外衡量水泵性能的主要參數(shù)還有：流量、揚程、電壓、電流和效率等，下面分別給出了部分參量隨水泵一天工作時間的變化情況.

3.1 晴天有、無蓄電池的抽水情況

圖1 8號水泵工作參數(shù)變化情況 圖2 9號水泵工作電參數(shù)變化情況

水泵工作時間為9 h，8號不配蓄電池的太陽總輻射量是22.510 MJ/m2，9號配蓄電池輻射累計量為22.132 MJ/m2.水泵工作電壓、電流及功率變化情況如上兩個圖所示.

圖1所給出的是直接由光伏組件給水泵供電的各參數(shù)隨時間變化特征.從圖中我們可以看出早上和下午三者變化較大，其中電壓和功率尤為顯著.其中在早上9點半左右之后到下午三點半左右期間水泵工作參數(shù)較為穩(wěn)定.電流、功率、電壓分別能夠保持在0.6～0.8 A、12～14 W、16～18 V之間.

9號的輻照度情況跟8號大體相當(dāng)，因此作為對比試驗有很好的參考性，圖 2給出的是水泵9號一天的工作電壓、功率、電流變化情形.配了蓄電池和控制器后工作電流有兩個特征，一是波動小更加穩(wěn)定；二是比直接用光伏組件供電的電流大.

圖3 平均每分鐘抽水量隨時間的變化 圖4 10號水泵工作電參數(shù)變化情況

圖3給出的是各個時間段中，平均每分鐘的水泵抽水的升數(shù).水泵中午前后每分鐘大致能抽3 L左右，但在早上和傍晚時有、無蓄電池的差別明顯.我們可以發(fā)現(xiàn)不配蓄電池和控制器時早上和下午抽水量小，中午前后抽水流量大的特點.由于試驗配置的組件偏大和控制器具有穩(wěn)定功率輸出特性，在福照度較大的時候(一般在午后)不配蓄電池抽水量較有控制器的會偏大些，但4點以后下降趨勢很顯著.配蓄電池和控制器后的流量更加穩(wěn)定.兩種配置一天的總抽水量為1 659.9L(無蓄電池)和1 743.8 L.

在晴朗天氣，直接用光伏組件給水泵供電抽水有較大的優(yōu)勢，但從試驗結(jié)果來看，8號輻照量略大于9號，抽水量卻小于9號(配蓄電池).

3.2 多云有、無蓄電池的抽水試驗情況

水泵試驗時間仍為9 h，26號不配蓄電池的太陽總輻射量是15.431 MJ/m2，10號配蓄電池輻射累計量為11.008 MJ/m2.

圖5 平均每分鐘抽水量隨時間的變化 圖6 平均每分鐘抽水量隨時間的變化

10號的輻照度情況比26號低許多，但都屬于多云天氣情況，圖4給出的是水泵10號一天的工作電壓、功率、電流變化情形.配蓄電池和控制器后工作參數(shù)均保持相對穩(wěn)定，也就是說配蓄電池和控制器能很好地消除云層遮擋的干擾.

兩種配置一天的總抽水量分別為793.5 L(無蓄電池)和1 571.0 L(有蓄電池).由此可見蓄電池起到了一個較好的輔助作用，盡管26號輻照量比10號的低了很多，但抽水量確是10號的兩倍之多.多云和陰雨天氣在所難免，配蓄電池和控制器的優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn).

3.3 單蓄電池的抽水試驗情況

在只配置蓄電池的情況下，一天9小時的總抽水量為1 349.8 L.從前面數(shù)據(jù)中可知配蓄電池可以增加抽水量，同時能使水泵更加穩(wěn)定的工作而不受光照輻射的短時間隨機波動影響.這兩點關(guān)系到水泵的長期工作性能，也就是說減小波動沖擊有利于減少水泵出故障和延長或者增加水泵的工作壽命.

3.4 經(jīng)濟效益分析

以昆明氣候為例，對無蓄電池的配置一天按9:00—15:00為光伏水泵額定工作時間，一年按300天計算(考慮多云、陰雨天氣)，配蓄電池的一天按9 h額定工作、330 d計算，假設(shè)兩種方式正常工作的抽水流量相同.每立方水泵抽水的價格[9]按0.4元/m3.根據(jù)前面的抽水量情況7小時水泵額定抽水量按1.7 m3計算.一年下來不配蓄電池抽水產(chǎn)生的綜合價值為204元，配蓄電池的綜合價值為288元.如果蓄電池按14 Ah，120元/個，控制器60元/個算，需要2.13年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益就能與不配蓄電池成本持平.現(xiàn)在市場上免維護蓄電池的壽命有長達5～6年之久，因此配蓄電池在經(jīng)濟上是有可行性的.

4 結(jié)束語

(1)盡管每個地方的天氣和氣候有不同程度的差異，但總會有雨季，每個季節(jié)中也常常會有連續(xù)陰雨天氣的情況.因此如果光伏水泵同時配備兩種電源(光伏組件、傳統(tǒng)電力)的話，就存在電路工作的切換和電纜用量增加，這樣即沒有充分發(fā)揮光伏水泵的優(yōu)勢又增加了揚水系統(tǒng)的成本.所以如果不配備蓄電池的話就很難應(yīng)對連續(xù)陰雨的天氣和雨季，配備蓄電池這個問題自然會迎刃而解同時可以降低組件的搭配功率，從而達到增強揚水系統(tǒng)的實用性和平衡成本的目的.

(2)不配備蓄電池的抽水量隨著輻照量的變化具有明顯的波動性，這樣就不能保證日常的穩(wěn)定用水的需求.配蓄電池不僅可以補償多云和陰雨天氣供電，同時能夠避免由于短云遮陰給水泵間歇工作的沖擊，因而對水泵的壽命有利.

(3)對于云南偏遠落后的農(nóng)村地區(qū)尤其是無電地區(qū)來講，配蓄電池還可以部分解決照明用電問題.

(4)配置蓄電池從經(jīng)濟價值的角度和工作性能上的角度來看都有其可行的價值所在.

綜上情況，配置蓄電池會增加投入成本，但從實用性的角度來看仍然是有現(xiàn)實性的，對于是否配蓄電池整體上可以考慮具體用水需求、經(jīng)濟條件和當(dāng)?shù)剌椪樟康染唧w情況而定.

參 考 文 獻:

[1] 余世杰，何慧若，曹仁賢．光伏水泵系統(tǒng)中CVT及MPPT的控制比較[J]．太陽能學(xué)報，1998，19(4)：1-6．

[2] 趙建東，李曉武，雷霆．太陽能綜合供電系統(tǒng)放電控制器設(shè)計[J]．太陽能學(xué)報，2005，26(5)：609-612．

[3] 蘇建微．光伏水泵系統(tǒng)及其控制的研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2003．

[4] 陳維，沈輝，舒碧芬．光伏系統(tǒng)跟蹤效果分析[J]．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2006，36 (4)：355-359．

[5] 劉偉，吳永忠，劉惠敏．太陽能光伏提水節(jié)水灌溉技術(shù)[J]．節(jié)水灌溉，2004 (5)：49-51．

[6] 程榮香，張瑞強．光伏提水技術(shù)在農(nóng)作物灌溉上的應(yīng)用[J]．可再生能源，2008，26(1)：72-78．

[7]ABDELMALEK M,ABDELHAMID M H,IFTIKHAR A R.Performance of a directly-coupled PV water pumping system[J].Energy Conversion and Management,2011,52(10):3089-3095.

[8] 亢旋．小型家用光伏水泵揚水系統(tǒng)的研究[D]．南寧：廣西大學(xué)，2012．

[9] 陳鳴，周毅人．廣東徐聞地區(qū)的光伏水泵揚水系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析[J]．節(jié)水灌溉，2012 (12)：38-40．