光伏發(fā)電揚水蓄能監(jiān)測系統(tǒng)試驗研究

高林朝， 謝 毅， 郝慶英， 賀立三， 胡國華，趙嚴(yán)初， 賈 兵， 田 悅

（1.河南省科學(xué)院能源研究所有限公司，鄭州 450008； 2.河南裕華建設(shè)安裝工程有限公司，鄭州 450053）

隨著太陽能電池轉(zhuǎn)化效率提高和光伏組件成本的降低，光伏水泵系統(tǒng)得到了快速發(fā)展并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化規(guī)模化推廣應(yīng)用階段［1-5］. 光伏水泵系統(tǒng)是一種利用半導(dǎo)體p-n結(jié)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，然后驅(qū)動電機(jī)帶動水泵從深井或江河湖泊中實現(xiàn)提水的系統(tǒng)，由于較常規(guī)柴油機(jī)水泵系統(tǒng)一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，在解決偏遠(yuǎn)無電缺水地區(qū)人畜飲水和農(nóng)田灌溉用水方面，具有明顯的經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境意義［6-7］. 目前對光伏水泵系統(tǒng)技術(shù)研究集中在系統(tǒng)配置、性能預(yù)測和系統(tǒng)評價優(yōu)化等方面研究［8-10］，該類研究大多著重于單一系統(tǒng)供給項下的分析，系統(tǒng)配置一些是光伏組件容量0.1～0.5 kW，水泵功率小，抽水量只能用于花草綠地小面積噴灌滴灌；而另一些是為了滿足農(nóng)田澆灌用電建造的容量100 kW以上光伏獨立電站，雖然可滿足大功率水泵工作條件，但成本高，占地面積大，而且系統(tǒng)安裝為固定形式，其應(yīng)用地域范圍和使用范圍受到限制，致使整套系統(tǒng)年利用率較低，經(jīng)濟(jì)效益欠佳. 另外，現(xiàn)有的農(nóng)田灌溉、照明、作物生長監(jiān)測等田間管理大多處于相互獨立分散運行狀態(tài)，各自工作時段重疊，功能單一，重復(fù)設(shè)置，不能適宜現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展要求，可靠性和實用性方面尚不能解決田間管理綜合用能需求.

為此，本研究提出了一種移動式光伏發(fā)電揚水蓄能照明監(jiān)測集成應(yīng)用技術(shù)，并在河南地區(qū)進(jìn)行了試驗研究，該裝置在光伏水泵揚水、照明、作物生長信息采集通信等方面作為蓄能備用電源，適用于田間灌溉、花園種植、照明和信息監(jiān)測需要.

1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成

光伏揚水蓄能照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示. 系統(tǒng)由光伏陣列、MPPT 控制器、DC/AC逆變器、電機(jī)水泵、充/放電控制器和蓄電池組組成. 當(dāng)光照較強時，系統(tǒng)可以自動地利用光伏陣列的輸出電能帶動電機(jī)和水泵進(jìn)行提水. 當(dāng)陽光較弱時，系統(tǒng)將自動地轉(zhuǎn)變?yōu)樾铍姵亟M充電，供照明和通信系統(tǒng)使用.

圖1 光伏揚水蓄能系統(tǒng)測試示意圖Fig.1 Test diagram of PV pumping and electricity storage system

1.1 光伏方陣

光伏方陣由太陽電池組件串并聯(lián)而成，其吸收日照輻射能量并將其轉(zhuǎn)化為直流電，直接為系統(tǒng)提供動力電能. 太陽能電池通常是由半導(dǎo)體材料制成，用于光伏水泵系統(tǒng)的太陽電池多為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽電池，光伏水泵系統(tǒng)所配用的光伏陣列容量往往在數(shù)百Wp至數(shù)十kWp之間［11］. 光伏方陣的輸出伏-安特性曲線具有和單體太陽電池同樣的非線性，而且和日射強度、環(huán)境溫度等氣象條件有關(guān)［12］.

1.2 MPPT 控制器

由于光伏方陣的輸出伏-安特性曲線具有強烈的非線性，其輸出為隨日照而變化的直流電，而作為光伏陣列負(fù)載的光伏水泵，它的驅(qū)動電機(jī)有時是直流電機(jī)，有時是交流電機(jī)，甚至還有其他新型電機(jī)，它們同樣具有非線性性質(zhì)［13］. 為保證方陣在任何日照和環(huán)境溫度下都將提供相應(yīng)可能的最大功率輸出，必須引入最大功率跟蹤控制，即最大功率點跟蹤器（Maximum Power Point Tracker，MPPT）［14］. 控制器主要工作內(nèi)容是：檢測主回路直流側(cè)電流電壓，計算出太陽電池陣列的輸出功率，同時發(fā)出控制信號完成在變頻調(diào)速過程中對陣列輸出最大功率的跟蹤；實現(xiàn)一些特殊保護(hù)功能，如過電壓、過負(fù)荷、過低負(fù)荷、欠電壓、井水打干及停機(jī)后在各種條件下的自啟動等［15-17］.

1.3 DC/AC逆變器

逆變器是將光伏方陣通過最大功率點跟蹤以后輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并驅(qū)動水泵，具備逆變和MPPT功能，用于控制水泵轉(zhuǎn)速［18-20］. DC/AC逆變器在光伏系統(tǒng)中是必不可少的部件.

1.4 電機(jī)和水泵

常規(guī)的交流水泵和直流水泵，是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再到水勢能的核心部件. 在不同系統(tǒng)中使用的驅(qū)動電機(jī)也不同，為獲得盡可能高的系統(tǒng)效率，在大型光伏水泵系統(tǒng)中，目前以采用三相交流異步傳動方式為主［21］. 對于光伏水泵系統(tǒng)而言，水泵類型的選擇至為重要. 一般情況下，小流量、高揚程的場合通常選用容積式正位移水泵，較大流量、揚程較高的場合多選用離心泵［22］. 在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計時要充分考慮到光伏水泵系統(tǒng)變頻運行、負(fù)載率早晚變化較大等特點，要力爭做到使電機(jī)全日、全年的總平均效率最高［23－24］.

1.5 儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)是由充/放電控制器和蓄電池組構(gòu)成. 當(dāng)太陽能光照強度減少到一定強度時，光伏陣列的最大輸出功率已經(jīng)無法繼續(xù)驅(qū)動水泵抽水，主控制器將檢測到的控制信號輸給充/放電控制器，從而對蓄電池組進(jìn)行充電［25］. 太陽能光伏方陣所發(fā)電能采用揚水優(yōu)先或充電優(yōu)先兩種能量管理策略［26］.

2 光伏水泵系統(tǒng)揚水與蓄能試驗研究

2.1 系統(tǒng)配置與試驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 kW光伏發(fā)電揚水蓄能監(jiān)測綜合系統(tǒng)測試試驗平臺（見圖1所示）.

其系統(tǒng)具體配置參數(shù)如下：光伏方陣選用150 W/17.5 V 多晶硅光伏組件14塊，總標(biāo)稱功率2.1 kW. 方陣呈正南朝向安裝，傾角37°；光伏泵采用SJ5-12不銹鋼高效三相潛水型，電機(jī)功率1.1 kW，自動變頻，三相220 V，出水量范圍3～5 m3/h. 現(xiàn)場實測揚水高程24.8 m；逆變器JNP1K1L，最大電機(jī)輸出功率1.1 kW，三相輸出端電壓交流220 V，最大逆變效率97%，輸出頻率范圍0～50 Hz，MPPT電壓范圍150～400 V；蓄水池配置不銹鋼保溫水箱，外形尺寸為1700 mm（外徑）×2600 mm（高），總?cè)莘e5 m3，用于存儲試驗用給水量；高位水箱容積200 L，放置于設(shè)定揚程24.8 m處. 太陽能電池組件、光伏水泵和蓄電池充放電控制器等技術(shù)參數(shù)分別如表1、表2所示.

表1 太陽能電池組件和光伏水泵技術(shù)參數(shù)Tab.1 PV modules and pump configuration parameters

表2 蓄電池充放電控制器和膠體蓄電池技術(shù)參數(shù)Tab.2 Charge controller and colloid battery performance parameters

2.2 試驗儀器

太陽輻射測量由TMR-ZS1A氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測儀完成，太陽輻射值測試精度±5%，分辨率為1 W/m2，測溫精度為±0.1 ℃，顯示分度0.1 ℃；超聲波流量計TUF-2000E-TS-2-HT-PT100，尺寸為45 mm×25 mm×32 mm，測量管徑DN15～DN100，測量精度±0.1%，測量范圍0～±10 m/s，外夾式探頭用V 形法置于泵出口穩(wěn)流滿管段，水平安裝距離＞10D；光伏組件功率衰減采用PV900 便攜式太陽能I-V 測試儀測試，最大功率測試范圍為50 W～10 kW，最大功率測試重復(fù)性±1%，轉(zhuǎn)換到STC下最大功率準(zhǔn)確性±5%，電壓測試精度0.1 V，電流測試精度0.001 A，溫度測試精度±1 ℃，輻照度測試范圍0～1800 W/m2，測試精度＞±3%；HT304手持式激光測距儀，UT243鉗形諧波功率計，UT204數(shù)字鉗形萬用表.

2.3 試驗方法

測試時間為2019年05月—2020年6月，測試地點為鄭州市. 試驗期間，分別對逆變器、蓄電池充放電一體機(jī)和光伏泵運行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，記錄了發(fā)電功率、日發(fā)電量、瞬時流量、流速、日揚水量，以及各輸入輸出電壓、電流、頻率等. 系統(tǒng)啟閉每日采用人工調(diào)節(jié)方法. 所有太陽輻射值、環(huán)境溫度、風(fēng)速值等每隔10 min自動記錄存儲數(shù)據(jù)；逆變器和充放電控制一體機(jī)的功率、電壓、電流、頻率等運行參數(shù)對應(yīng)10 min間隔人工讀取記錄；光伏水泵流量采用流量計每隔10 min 自動記錄存儲數(shù)據(jù)；測試方法參照GB/T 19064—2003（家用太陽能光伏電源系統(tǒng)技術(shù)條件和試驗方法）和NB/T 32017—2013（太陽能光伏水泵系統(tǒng)）；光伏組件功率衰減測試方法參照晶體硅光伏方陣I-V特性的現(xiàn)場測量GB/T 18210—2000和并網(wǎng)光伏電站性能檢測與質(zhì)量評估技術(shù)規(guī)范CNCA/CTS 0016—2015.

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 光伏組件功率衰減測試 由于搭建的光伏揚水蓄能試驗平臺采用了前期既有的光伏發(fā)電系統(tǒng)（2015年安裝使用），組件功率長期運行存在衰減，為此，需對實際功率進(jìn)行核驗. 光伏組件功率衰減率是光伏組件初始STC標(biāo)稱功率與評估時實測修正STC標(biāo)稱功率之差與光伏組件初始STC標(biāo)稱功率的比值. 對現(xiàn)場安裝的14塊光伏組件進(jìn)行測試，檢測選定且清洗干凈的每一塊組件的I-V曲線，同時記錄光強和組件溫度. 修正到STC條件，同標(biāo)稱功率比較，得到光伏組件功率衰降率. 根據(jù)現(xiàn)場實際測試數(shù)據(jù)計算結(jié)果如圖2所示，IV1、IV2、IV3、IV4、IV5 和PV1、PV2、PV3、PV4、PV5 分別為5 塊組件實測I-V 曲線與P-V 曲線；IVSTC1、IVSTC2、IVSTC3、IVSTC4、IVSTC5和PVSTC1、PVSTC2、PVSTC3、PVSTC4、PVSTC5分別為5塊組件實測修正到STC條件下的I-V曲線與P-V曲線.

圖2 光伏組件功率衰減測試曲線Fig.2 PV module power attenuation curves

由圖2可知，抽檢的5塊組件功率衰減率平均-12.5%，年均衰減3.1%，基本符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2015年本）》對多晶（單晶）組件首年功率衰減≤2.5%（3.0%），后續(xù)每年衰減在前一年的基礎(chǔ)上增加0.7%的規(guī)范要求. 故此，標(biāo)稱150 W光伏組件14塊的實測功率僅為1.837 5 kW.

2.4.2 日發(fā)電量與揚水量特性 選取2019年10月29日全天運行狀態(tài)實測結(jié)果，采樣周期為10 min，太陽輻射強度與輸出功率為采樣點的瞬時值，流量為采樣點之間的平均值. 實測日照功率分布曲線和水泵流量曲線如圖3 所示. 測試當(dāng)天為晴天，環(huán)境溫度24～29 ℃，空氣質(zhì)量PM2.5為56 μg/m3，平均風(fēng)速0.77 m/s，日出日落時間為06：43—17：35.

圖3 太陽輻射功率分布與水泵流量曲線Fig.3 The curves of solar radiation power distribution and pump flow

從圖4可以看出，在初始和終了時段，光伏方陣發(fā)電功率輸出較小，但揚水效率較大，其最大揚水效率達(dá)12.7%；在當(dāng)日10：25—13：45穩(wěn)定運行時段，光伏方陣發(fā)電功率基本不變化，揚水效率保持穩(wěn)定不變，表明光伏水泵在此定揚程下出力達(dá)到最大，全天平均揚水效率11.1%. 若要提高揚水效率，可考慮適當(dāng)減低揚程.

圖4 流量—效率特性及光伏系統(tǒng)發(fā)電功率曲線 Fig.4 The curves of Flow-efficiency characteristics and PV system power generation.

2.4.4 光伏方陣日發(fā)電量與蓄電池儲電量占比分析 由于光伏水泵系統(tǒng)的特性，導(dǎo)致光伏組件的能量在光照強度良好的早晨、中午和傍晚三個時段，都存在能量浪費的情況. 當(dāng)光照強度較強時，光伏水泵系統(tǒng)可以正常抽水，而光照強度較弱時，即光伏陣列輸出功率小于某一值時，系統(tǒng)將無法繼續(xù)驅(qū)動水泵抽水. 但光伏陣列仍將輸出一定功率的電能. 利用光伏水泵和照明綜合系統(tǒng)可以有效地利用光照較弱時的電能為蓄電池組充電，一方面解決了照明問題，另一方面節(jié)約了能源［29-31］. 如圖5所示，陰影部分所示電能可通過光伏高壓充放電控制器與光伏水泵逆變器互補使用，將圖中陰影部分的能量存儲在蓄電池中，再通過控制器放電用于田間照明、作物生長監(jiān)測通訊等直流負(fù)載加以利用，極大提高了光伏組件的能量利用率.

圖5 日發(fā)電量曲線圖Fig.5 The curve of daily power generation

測試日上午06：43—09：05為蓄電池充電時段，光伏泵不啟動運行，到09：05時，光伏泵自啟動運行. 到16：45時，光伏泵停止運行，下午16：45—17：50為蓄電池儲能時間. 中午11：25—13：15太陽輻照量高峰時段為水泵揚水和蓄電池充電同時運行時間，也即定揚程下水泵揚水穩(wěn)定運行所需發(fā)電功率在1200～1300 W之間，當(dāng)光伏方陣發(fā)電功率大于1300 W時，超出部分即為盈余量，可用來同時為蓄電池充電儲能，當(dāng)日盈余功率范圍為1300～1349 W. 三個時段提供的蓄電池充電儲能量合計0.47 kWh，約占當(dāng)日光伏方陣全天發(fā)電量8.4 kWh的5.6%左右，在該定揚程下用于蓄電池充電儲能的占比較低，說明泵揚程設(shè)定過大，可適當(dāng)減低揚程以進(jìn)一步提高電能利用率.

3 結(jié)論

通過對光伏發(fā)電揚水蓄能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及其輸入輸出特性試驗研究，得到以下結(jié)論：

1）搭建了光伏發(fā)電揚水蓄能照明綜合系統(tǒng)試驗平臺. 依據(jù)試驗裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及太陽輻照量和溫度條件，對系統(tǒng)日發(fā)電量與揚水量特性、光伏泵系統(tǒng)揚水效率特性和光伏方陣日發(fā)電量與蓄電池儲電量以及組件功率衰減情況進(jìn)行了測試分析.

2）在定揚程24.8 m下，測試日光伏泵全天揚水量隨日照時間的延長而增加，太陽能平均輻照功率533.4 W，日出水量達(dá)13.1 m3，平均每小時出水1.93 m3；系統(tǒng)最大揚水效率達(dá)12.7%，平均揚水效率11.1%；全天三時段蓄電池充電儲能0.47 kWh，約占光伏方陣全天發(fā)電量8.4 kWh的5.6%左右，在該定揚程下用于蓄電池充電儲能的占比較低，可適當(dāng)減低揚程以進(jìn)一步提高電能利用率；系統(tǒng)采用多晶硅光伏組件功率年均衰減不大于3.1%，符合規(guī)范要求.

3）該光伏發(fā)電揚水蓄能系統(tǒng)試驗研究結(jié)果，可用于光伏水泵揚水蓄能系統(tǒng)優(yōu)化配置，而對當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)要求不高，工程計算簡化，對利用太陽能光伏水泵系統(tǒng)解決無電地區(qū)農(nóng)牧民人畜飲水與農(nóng)田灌溉問題等具有一定的實用價值.