小型移動式光伏水泵試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

◎ 梁國珍，楊麗彥，高小梅

（1.鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001；2.河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001；3.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)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(yīng)用前景。然而，經(jīng)查國內(nèi)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(yīng)用鮮有報(bào)道。因此，本文針對鄭州地區(qū)的日照條件展開設(shè)計(jì)了一種小型移動式光伏水泵試驗(yàn)臺，旨在探索鄭州地區(qū)推廣應(yīng)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(yīng)用條件和推廣價(jià)值。

1 小型移動式光伏水泵試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)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(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮光伏陣列和電機(jī)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(dá)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(qiáng)度，光伏組件的方位角和傾角應(yīng)連續(xù)可調(diào)或者能夠自動追日[3]。為滿足小型光伏水泵試驗(yàn)臺的移動式要求，需要將小型電機(jī)水泵總成浸沒在水箱中[4]。然而，市面上的小型電機(jī)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(jī)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(jī)水泵總成結(jié)構(gòu)尺寸的分析，本文選用的SSL56P36-35光伏組件、3DS-4-0030-100型電機(jī)水泵總成[5]，開展小型移動式光伏水泵試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與搭建，主要設(shè)計(jì)思路與要求為：①充分考慮大多數(shù)小型電機(jī)水泵總成的外廓尺寸，設(shè)計(jì)并選用體積較小、便于安裝布置的水箱，以完全浸沒電機(jī)水泵總成、滿足正常泵水為標(biāo)準(zhǔn)判定是否適用。②根據(jù)裝滿水的水箱、電機(jī)水泵總成、光伏組件的總質(zhì)量合理選擇水箱支撐架的材料，設(shè)計(jì)支撐架構(gòu)件的外形和尺寸，要求各個(gè)構(gòu)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(nèi)可以連續(xù)調(diào)整。④預(yù)留控制箱位置，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃姼綦x。⑤選擇、安裝萬向腳輪和手推柄，以滿足試驗(yàn)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(jī)水泵總成的外形輪廓為細(xì)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(shè)計(jì)為上部縮口的圓柱型來浸沒電機(jī)水泵總成，如圖1a所示。為便于戶外實(shí)驗(yàn)和推廣展示，要求盡可能減小水箱的體積。水箱的體積應(yīng)根據(jù)水泵的流量進(jìn)行計(jì)算確定，水泵的體積泵水量公式（1）計(jì)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(shí)間，單位：h。

就選定的3DS-4-0030-100型電機(jī)水泵總成而言，其額定流量Q=0.3 m3·h-1，則滿負(fù)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(shè)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(jī)水泵總成的適用井徑和高度。為適應(yīng)市場上大部分廠家的小型電機(jī)水泵總成的適用井徑要求，以及方便吊裝電機(jī)水泵總成進(jìn)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(yīng)在400 mm左右，而其圓柱部分的直徑應(yīng)大于400 mm。本著輕量化便于運(yùn)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(shè)計(jì)的縮口型圓柱水箱與PT300水箱實(shí)物圖

因此，PT300塑料水箱完全可以浸沒3DS-4-0030-100型電機(jī)水泵總成，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。PT300水箱采用原生塑料，在太陽光下老化較慢，廠家設(shè)計(jì)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(jìn)水口和排水口，進(jìn)水口加裝接頭后可將電機(jī)水泵總成的出水回收到水箱內(nèi)，可以滿足更大流量電機(jī)水泵總成的實(shí)驗(yàn)需要。

3 水箱支撐架與控制箱的設(shè)計(jì)

根據(jù)前述PT300塑料水箱的結(jié)構(gòu)尺寸，本文設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)水泵總成，從而起到加強(qiáng)試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。

圖2 水箱支撐架與控制箱的設(shè)計(jì)圖

為便于布線，本文在圖2的前端設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jì)、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(shè)了280 mm×720 mm的花紋板。為防止電機(jī)水泵總成揚(yáng)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(shè)了防靜電復(fù)合膠板，也起到擋水板的作用。當(dāng)然，也可以考慮在箱架的其余三個(gè)面上裝合頁和門，由此形成一個(gè)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(jī)水泵總成、光伏組件及蓄電池等附屬部件的質(zhì)量，是小型光伏水泵試驗(yàn)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(qiáng)筋。

4 光伏陣列安裝架的設(shè)計(jì)

出于成本和實(shí)用性考慮，本文設(shè)計(jì)的光伏組件安裝架的傾角調(diào)整不考慮自動追日裝置，采用人工調(diào)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′?；谝陨戏治?，光伏組件傾角的理論可調(diào)范圍在23°14′～46°54′，即可滿足鄭州地區(qū)的實(shí)驗(yàn)要求。為便于向鄭州周邊地區(qū)推廣和應(yīng)用，增大設(shè)計(jì)冗余度，本試驗(yàn)臺的光伏組件的實(shí)際傾角角度設(shè)計(jì)為18°～51°連續(xù)可調(diào)。

在水箱支撐架的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的光伏組件安裝架如圖3所示?？梢钥闯?，光伏組件安裝架分為兩組架盤，分列于水箱支撐架的兩側(cè)。架盤長1 800 mm（實(shí)際使用1 666 mm），寬500 mm（實(shí)際使用400 mm），架盤材質(zhì)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(gè)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(yīng)，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(cè)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(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)光伏組件安裝架在18°～51°范圍內(nèi)的傾角連續(xù)可調(diào)。

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(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。如圖4所示，伸縮式光伏組件架盤的設(shè)計(jì)思路為：每一組合架盤（b）由兩個(gè)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(shí)現(xiàn)長度方向上405 mm～1 800 mm范圍內(nèi)的任意可調(diào)，寬度方向上380 mm～440 mm范圍內(nèi)的任意可調(diào)，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(shè)計(jì)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(nèi)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(diào)整光伏陣列的方位角，本文在上述小型光伏水泵試驗(yàn)臺框架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加裝腳輪和手推柄。4個(gè)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(yàn)臺自重、電機(jī)水泵總成、盛滿水后的水箱以及光伏陣列的總質(zhì)量，4個(gè)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?；⌒卧O(shè)計(jì)的腳輪輪面與地面摩擦力小，推拉輕便、省力；腳輪中軸為實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺穩(wěn)定性，又可以滿足移動行走需要。為了方便試驗(yàn)臺橫向移動、調(diào)節(jié)光伏陣列的方位角，本文在水箱支撐架的后側(cè)，距底面高900 mm處增設(shè)了長150 mm、寬600 mm的手推柄。

6 小型移動式光伏水泵試驗(yàn)臺的整體結(jié)構(gòu)

經(jīng)過上述各個(gè)主要組成部件的設(shè)計(jì)和布置，水箱內(nèi)吊裝3DS-4-0030-100型電機(jī)水泵總成的小型移動式光伏水泵試驗(yàn)臺（小車）三維模型如圖5所示。該試驗(yàn)臺的材料主要采用角鐵L40X40/Q235-A、角鐵L30X30/Q235-A、六分管等標(biāo)準(zhǔn)型材，各個(gè)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(yàn)臺的三維模型圖

圖6 小型移動式光伏水泵試驗(yàn)臺三視圖

7 結(jié)語

本文詳盡描述了小型光伏水泵系統(tǒng)試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，具有穩(wěn)定、可靠、結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。該試驗(yàn)臺全部采用螺栓連接，使得試驗(yàn)臺的制作、安裝和拆卸簡易方便。為查明鄭州地區(qū)推廣應(yīng)用小型光伏水泵系統(tǒng)的可行性，為鄭州地區(qū)推廣應(yīng)用小型光伏水泵系統(tǒng)提供有價(jià)值的參考依據(jù)。