太陽能泵動態(tài)運行特性試驗測試

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.江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

太陽能泵一般指太陽能水泵，主要是利用光伏陣列裝置將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，為負載的水泵和電機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地區(qū)，太陽能泵系統(tǒng)是最具吸引力的供水方式，系統(tǒng)不需人員看管，無需柴油和電網(wǎng)，從而大大節(jié)約了運行成本。同時，太陽能資源清潔，利于環(huán)境保護。

太陽能泵系統(tǒng)發(fā)展至今，國內(nèi)外學者對該系統(tǒng)的運行性能開展了多方面的研究。Alonso［1］等對光伏發(fā)電技術應用于農(nóng)業(yè)和家用水泵抽水的能量需求進行了詳細研究，闡明了太陽能泵的工作原理。王明飛［1］使用基于SI4463 標準的太陽能無線灌溉控制器，以太陽能為電源，可以達到長期工作無需更換電池的目的，并且在控制雙路灌溉閥門的同時可以完成水量信息采集工作，在農(nóng)田測試中運行穩(wěn)定。Edzard［3］等從農(nóng)作物的需水問題與供水最優(yōu)化問題出發(fā)，探討了太陽能發(fā)電系統(tǒng)在灌溉設備中的應用，將日間水泵出水余量儲存在地勢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題。Masheleni［4］等通過使用精密控制器對太陽能進行良好的控制，顯著提高了系統(tǒng)的效率。羅斌［5］等針對傳統(tǒng)噴灌系統(tǒng)在山地缺電地區(qū)運行不穩(wěn)定的問題，研究了光伏自動灌溉系統(tǒng)在山地運行的可行性和穩(wěn)定性，提出了一種基于太陽能自動控制灌溉系統(tǒng)，有效提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。Carrêlo［6］等研究指出近年來隨著農(nóng)業(yè)應用電費的急劇增加，消除阻礙大功率光伏灌溉系統(tǒng)（PVIS）的技術壁壘可使光伏噴灌系統(tǒng)的性價比大幅提升。Tamilvanan［7］等研究了一種太陽能滴灌技術，通過光伏發(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、揚程的條件下對多種光伏水泵進行試驗測試，并對揚水效率進行分析對比，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)光伏水泵運行時流量以及揚程的變化特性，采用不同的額定流量與最大流量之比與系統(tǒng)匹配并做了試驗分析，結(jié)果表明泵負載流量-揚程特性斜度較大的更適合太陽能泵全工況運行。Bouzidi［10］針對阿爾及利亞的撒哈拉沙漠地區(qū)資源缺乏的問題，研究了太陽能抽水系統(tǒng)對當?shù)剞r(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的應用，并對光伏陣列、貯水池及抽水系統(tǒng)產(chǎn)生的水進行優(yōu)化利用，通過敏感性分析得出，在沙漠地區(qū)太陽能水泵比傳統(tǒng)水泵更具有競爭力。

雖然對太陽能泵系統(tǒng)有了一定的研究，然而目前有關日照輻射強度變化對太陽能泵系統(tǒng)輸出特性的影響研究還較少。為此，本文在搭建太陽能泵系統(tǒng)試驗臺基礎上，對日照輻射強度瞬變?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進行了研究和分析，為開發(fā)高效穩(wěn)定的太陽能泵提供一定的參考。

1 太陽能泵性能測試系統(tǒng)

1.1 試驗測試裝置

本文通過試驗測試的手段來測試太陽能泵系統(tǒng)的性能和運行特性，圖1為測試系統(tǒng)的開式試驗臺及各組件示意圖［11］。

圖1 太陽能泵系統(tǒng)性能測試試驗臺Fig.1 Performance test bench for solar pump system

1.2 試驗測量儀器

試驗臺主要測量儀器為光伏發(fā)電組件模擬電源、太陽能泵控制器、壓力脈動傳感器、壓力變送器、電磁流量計和泵輸出參數(shù)測試儀等，實現(xiàn)性能參數(shù)的同步采集。系統(tǒng)測試所需的儀器性能參數(shù)如表1所示。

表1 太陽能泵性能測量儀器及性能參數(shù)Tab.1 Performance measurement instrument and performance parameters of solar pump

1.3 試驗方案

針對太陽輻射強度瞬態(tài)變化情況，在試驗裝置最優(yōu)配置條件下對不同太陽輻射強度變化梯度光伏陣列輸出功率和泵出口壓力脈動進行測試。

為了研究光伏水泵系統(tǒng)動態(tài)特性，基于光伏陣列模擬電源，測量了日照強度瞬態(tài)變化（瞬態(tài)變化時間為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。

2 試驗結(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為日照輻射強度瞬態(tài)升高時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。當日照輻射低于700 W/m2時，光伏陣列輸出功率波動較大，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性降低。這是因為隨著日照輻射的降低，水泵運行工況逐漸向小流量偏移，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定運行。

從圖2（a）可以看出，隨著基礎日照輻射的增加，光伏陣列在日照輻射瞬態(tài)變化后達到穩(wěn)態(tài)運行所需的時間逐漸縮短，輸出功率升高幅度逐漸降低。400～500 W/m2與900～1 000 W/m2達到穩(wěn)態(tài)運行時間相差3 s。日照輻射900～1 000 W/m2時，光伏陣列耗時1.5 s達到穩(wěn)態(tài)。這是因為隨著基礎日照輻射的增加，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，系統(tǒng)的響應時間增加，瞬態(tài)響應在2～3 s 達到穩(wěn)態(tài)。隨著基礎日照輻射的增加，瞬態(tài)響應時間逐漸縮短。與圖2（a）相比，光伏陣列均在高基礎日照輻射下較快達到穩(wěn)態(tài)，但升高幅度均較小。當?shù)突A日照輻射瞬態(tài)增加時，光伏陣列功率輸出均出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象。

圖2 日照輻射強度瞬態(tài)升高時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，系統(tǒng)達到同樣光照強度下的穩(wěn)態(tài)所需時間增加2 s。例如當日照輻射從800 W/m2瞬態(tài)升高至1 000 W/m2時分為兩種方式即：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，方式一達到穩(wěn)態(tài)所需時間比方式一多2 s。這是因為隨著日照輻射瞬態(tài)變化值的增加，控制器進行最大功率點追蹤的時間也會相應增加。相較于100 W/m2的瞬態(tài)增加幅度，當日照輻射瞬態(tài)增加200 W/m2時，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)升高方式對比Fig.3 Comparison of two transient rise methods of 800-1000W/m2

2.1.2 關于日照輻射瞬態(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，隨著基礎日照輻射的增加，光伏陣列出現(xiàn)明顯的振蕩輸出特性；當瞬態(tài)降低出現(xiàn)在基礎日照輻射低于800 W/m2時，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)定運行的現(xiàn)象，這可能是瞬態(tài)降低時間較短，最大功率點追蹤的響應無法適應于該狀況，日照輻射強度穩(wěn)定后，對最大功率點進行追蹤，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。從圖4（b）可以看出，日照輻射瞬態(tài)降低較大時，系統(tǒng)的響應時間顯著增加，瞬態(tài)響應在5～15 s 達到穩(wěn)態(tài)。日照輻射在1 000～800 W/m2時，光伏陣列輸出功率呈現(xiàn)波動狀。對比兩種變化方式，結(jié)合圖4（a）（b）可以看出，相較于100 W/m2瞬態(tài)降低幅度，當日照輻射瞬態(tài)降低200 W/m2時，光伏陣列輸出性能出現(xiàn)明顯下降，系統(tǒng)達到同樣光照強度下的穩(wěn)態(tài)需要的時間更長，增加約2 s。這是因為當日照輻射瞬態(tài)降低較大時，光伏陣列輸出瞬間下降較多，水泵轉(zhuǎn)速出現(xiàn)突然下降造成流動紊亂并且控制器難以進行最大功率點追蹤，二者互相影響從而造成光伏陣列輸出波動的現(xiàn)象。

圖4 日照輻射強度瞬態(tài)時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 泵出口壓力脈動變化研究分析

2.2.1 關于日照輻射瞬態(tài)上升的泵出口壓力脈動變化研究

圖5為日照輻射強度瞬態(tài)升高時泵出口壓力變化曲線。從圖5（a）可以看出，隨著基礎日照輻射升高，泵出口壓力響應時間逐漸減小。瞬態(tài)上升為900～1 000 W/m2的日照輻射時響應時間最短，約0.08 s，而日照輻射瞬態(tài)改變?yōu)?00～600 W/m2時的響應時間最長，大約1.9 s。從圖5（b）可以看出，隨著基礎日照輻射增加，泵壓力更快達到穩(wěn)態(tài)，響應時間從2 s逐漸向0.5 s靠近。泵出口壓力上升幅度隨著基礎日照幅度的增加而遞減。這是因為隨著基礎日照輻射的增加，泵轉(zhuǎn)速逐漸上升并且轉(zhuǎn)速受日照輻射影響逐漸降低，進而泵出口壓力能較快達到穩(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，當日照輻射瞬態(tài)增加到200 W/m2時，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)所需的時間顯著增加。低基礎日照輻射下，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。日照輻射接近1 000 W/m2時，最大功率點追蹤性能更強，這是因為當日照輻射為1 000 W/m2時，太陽能泵系統(tǒng)在設計工況點附近運行，最大功率追蹤點適應性更強。

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 關于日照輻射瞬態(tài)下降的泵出口壓力脈動變化研究

圖6 為日照輻射瞬態(tài)降低時泵出口壓力變化曲線。從圖6（a）和（b）可以看出，隨著基礎日照輻射降低，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，與光伏陣列輸出功率的變化相對應。由于日照輻射在1 000～900 W/m2和1 000～800 W/m2時，光伏陣列輸出功率出現(xiàn)較大的波動，導致泵出口壓力脈動出現(xiàn)明顯的周期性波動，但泵出口壓力達到穩(wěn)態(tài)所需時間遠小于光伏陣列所需時間；從圖6（c）、（d）、（e）可以看出，隨著基礎日照輻射的增加，泵出口壓力在較大瞬態(tài)日照輻射增加下需要花費更久的時間達到穩(wěn)態(tài)；800～600 W/m2與700～600 W/m2最終日照輻射強度都為600 W/m2，此時的泵出口壓力脈動幾乎一致，而在實際運行過程中最大功率點追蹤限制了這種變化，使得響應時間較大，故而試驗時瞬變后3 s 內(nèi)泵出口壓力脈動顯著變化。

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

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

（1）低基礎日照輻射下，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。

（2）日照輻射瞬態(tài)降低時，隨著基礎日照輻射的增加，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，系統(tǒng)響應時間顯著增加，瞬態(tài)響應在5～15 s達到穩(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)響應在3 s 內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)。隨著基礎日照輻射的增加，瞬態(tài)響應時間逐漸縮短?！?/p>