全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王京剛，郝詠冰

（淄博市機(jī)電泵類(lèi)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東淄博255200）

1 引言

現(xiàn)階段，由于光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，光伏水泵系統(tǒng)也得到了充分的改進(jìn)與應(yīng)用，并且已經(jīng)大規(guī)模投入階段的生產(chǎn)與生活中，有效解決了水資源貧困地區(qū)的灌溉、飲水等問(wèn)題。為了進(jìn)一步提高光伏水泵系統(tǒng)的應(yīng)用效果，應(yīng)充分利用現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，利用二維追日設(shè)備，進(jìn)一步提升發(fā)電量，并結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)和小容量的蓄電池有效解決太陽(yáng)光照射強(qiáng)度不斷變化帶來(lái)的供水量降低等問(wèn)題，從而確保水泵系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定地供水，并提高水泵系統(tǒng)的出水量[1]。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 控制系統(tǒng)的工作原理圖

全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)使用單片機(jī)時(shí)鐘控制電路控制自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)與復(fù)位，并利用充放電控制電路和跟蹤控制電路實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行，具體原理如圖1所示。

通過(guò)時(shí)鐘對(duì)電路的自動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，對(duì)太陽(yáng)光的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，如果太陽(yáng)光的強(qiáng)度大于設(shè)定強(qiáng)度時(shí)，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟追日結(jié)構(gòu)。同時(shí)，光伏電池板也會(huì)持續(xù)給蓄電池進(jìn)行充電處理，在蓄電池內(nèi)的電量達(dá)到90%以上時(shí)，會(huì)啟動(dòng)水泵工作，利用充放電控制電路對(duì)電池板的發(fā)電率進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)實(shí)際發(fā)電率大于額定的發(fā)電率時(shí)，電池板不僅能支持水泵的工作，還能對(duì)蓄電池充電。如果電池板的發(fā)電率比額定的功率小，需要蓄電池與電池板持續(xù)為水泵供電。如果蓄電池內(nèi)的電量低于25%，水泵會(huì)停止工作，電池板發(fā)出的電量將為蓄電池進(jìn)行充電，而后進(jìn)行良性循環(huán)控制。如果太陽(yáng)的光照強(qiáng)度波動(dòng)比較大，在蓄電池的緩沖作用下，能夠長(zhǎng)時(shí)間為水泵提供電量，確保其持續(xù)運(yùn)行，從而有效避免了水泵因頻繁啟動(dòng)而造成的欠功率等現(xiàn)象，進(jìn)一步延長(zhǎng)水泵的使用壽命，也可以確保水泵的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行效果。傍晚時(shí)，利用時(shí)鐘控制電路，而后將追日結(jié)構(gòu)復(fù)位，從而使電池板能夠復(fù)原水平位置，在這時(shí)，風(fēng)阻力也會(huì)降低到最小，有效保護(hù)了電池板和追日裝置，避免其受到風(fēng)力的破壞，與此同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗。水泵尚未開(kāi)啟時(shí)，電池板給予的所有電量都能為蓄電池進(jìn)行持續(xù)性充電，也可以對(duì)電池板的實(shí)際發(fā)電率進(jìn)行記錄，而后推算出蓄電池的充電時(shí)間[2]。

3 測(cè)試

3.1 測(cè)試條件與測(cè)試結(jié)果

按照水泵的實(shí)際工作狀況與控制原理，正確地調(diào)整和選擇水泵的參數(shù)以及所匹配的電池板和蓄電池。將水泵的額定電壓設(shè)置為24V、額定的功率設(shè)置為300W、最大揚(yáng)程為22m、最大流量為3.6m/h。同時(shí)，選擇4塊電池板進(jìn)行并聯(lián)供電，其總功率應(yīng)為360W，總工作電壓為30V，最短運(yùn)行時(shí)間為20min。

在山東地區(qū)，在確保天氣晴朗的戶(hù)外條件下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，對(duì)比項(xiàng)目分別為全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)與固定式光伏水泵系統(tǒng)，測(cè)試的時(shí)間為 6：00～18：00，測(cè)試結(jié)果如圖 2 所示。

圖2 測(cè)試結(jié)果圖

3.2 2種水泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

對(duì)2種不同的水泵系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析與對(duì)比，具體如表1所示。

在全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)中加入了控制器件、追日裝置、蓄電池等部件，使該系統(tǒng)在安裝與維護(hù)過(guò)程中非常復(fù)雜，相比于固定光伏水泵系統(tǒng)，其成本要高出1.32倍，但是全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)的水量輸出高于固定光伏水泵系統(tǒng)的72%，綜合全面性?xún)r(jià)比分析，全自動(dòng)光伏控制系統(tǒng)的綜合性?xún)r(jià)比要高于固定光伏水泵系統(tǒng)約20%。

表1 2種水泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

4 全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)利用的是可再生能源，通過(guò)該系統(tǒng)的作用能夠確保太陽(yáng)光照射與農(nóng)作物的實(shí)際需求量之間保持高度契合，對(duì)水資源缺少的地區(qū)，是一種可以值得人們高度信賴(lài)的新科技。

我國(guó)屬于水資源相對(duì)貧乏的國(guó)家，在西部干旱區(qū)域，利用全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)能夠有效將滲灌、滴灌以及微灌等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更加高效率的灌溉。同時(shí)，相比于固定式和傳統(tǒng)的柴油式水泵系統(tǒng)，全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)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(yuǎn)地區(qū)的人們帶來(lái)了新的發(fā)展生機(jī)。具體來(lái)說(shuō)，全自動(dòng)光伏水泵系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)可以分為以下5點(diǎn)：（1）該系統(tǒng)的使用時(shí)間比較長(zhǎng)，而且符合環(huán)境保護(hù)的要求，也不會(huì)對(duì)水資源造成污染；（2）可靠性比較強(qiáng)，各種保護(hù)設(shè)施齊全；（3）綜合性?xún)r(jià)比較高，適用于水資源匱乏地區(qū)；（4）自動(dòng)化控制，降低人力成本；（5）實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物與自然條件的高度契合[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了進(jìn)一步提高水泵系統(tǒng)的工作能力，應(yīng)利用現(xiàn)有技術(shù)對(duì)全自動(dòng)水泵系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，從而提高出水量，確保水泵系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，為越來(lái)越多的人們提供安全、干凈的水資源。