光伏水泵
2021-03-24 19:36:09
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光伏水泵
《《《《 转自百度百科》》》
该系统是光、机、电、控制技术等多学科交叉、结合的体现。随着太阳电池及电力电子技术的不断进步,全球光伏水泵的技术及应用也突飞猛进地在发展。
光伏水泵
近年来，随着全球“粮食问题”、“能源问题”的严重性不断提升，逐步被誉为解决有效耕地提高产量和用清洁能源替代化石能源的最为有效的产业整合产品。成为把光伏产业与农业水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等传统产业综合发展的新兴经济模式。
光伏水泵利用来自太阳的持久能源，日出而作，日落而歇，无需人员看管，不需要柴油、不需要电网，可与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本。是全球“粮食问题”、“能源问题”综合系统解决方案的新能源、新技术应用产品。
光伏水泵的主要组成部分
太阳电池阵列(亦称光伏阵列)
由众多太阳电池组件串、并联构成,组件组合之合成容量可以是数百峰瓦(W户),也可以达到数个兆峰瓦(MWp)甚至更大,组件可以由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类型的太阳电池组成。一般说来,光伏阵列由于多为半导体器件构成,其电源特性(伏安特性及温度特性)具有强烈的非线性性质。光伏水泵系统所配用的光伏阵列容量往往在数百Wp至数十KWp之间。
DCIDC环节
这是由于太阳电池阵列具有非线性的电源特性,为保证阵列在任何日照和环境温度下都将提供相应可能的最大功率输出,必须引入该一环节,在太阳能光伏技术中称它为“最大功率点跟踪器”。
DCIAC环节
这是一个为表达方便而采用的替代用语。在交流异步或同步驱动中,它是变频逆变器,但在直流无刷电机驱动方式中,它是专用的驱动控制器。
马达(驱动电机)
在不同系统中使用的驱动电机也不同。目前在小于10阅Np功率等级的光伏水泵系统中,为获得尽可能高的系统效率,多采用直流无刷永磁电机驱动,在大型光伏水泵系统中,到目前为止仍不乏采用交流异步传动方式者,但是由于近代控制技术的不断发展,为了进一步提高单位峰瓦提供的扬水量,己经开始有被多台水泵实现柔性控制的多机群控技术所替代的趋势。
水泵
对于光伏水泵系统而言,水泵类型的选择同样至为重要。在功率不大的系统中,若用户要求扬程高但流量较小的情况下,宜选择容积式正位移水泵,在其它情况下可能以采用离心式或轴流式水泵。关于光伏水泵系统配用泵型的选择与考虑。
水塔及储水设施
如果光伏水泵系统应用于冬季寒冷地区(如我国广大西部地区),则宜采用防冻储水设施,例如中间抽真空或实以绝热材料的双层水箱或水塔,引水管道亦应采用抗低温材料并作防冻处理。
光伏水泵的分类及特点
交流异步电机驱动光伏水泵
较大功率(比如说,功率大于10KW或更大时)的光伏水泵系统中,驱动电机仍不乏采用三相交流异步电机者,其中异步电机通常采用湿式护套绕组,由于槽满率低的结构特点,其效率通常较同等功率的直流永磁无刷电机低得多,但是其构造相对简单,造价相对低廉,油浸电机不适于用在同时提供人畜饮水的供水系统中,因此还有一定需求。其驱动控制的核心是专用的变频与控制一体化电源,本质上是将变频技术与光伏阵列最大功率点跟踪技术及若干必要的运行保护措施集合在同一个控制器中,由中央控制器完成光伏水泵系统中所需的全部控制功能,这样做的优点是系统稳定性好,结构紧凑,电机电压等级可按阵列配置自由优化选择,制造成本低,同时可以充分考虑到光伏水泵户外长时间无人值守、全自动运行等特点,在散热、防尘、防雷及各种专用的保护措施(如打干保护)等方面给予特殊考虑,较之“拼凑式”结构具有高得多的经济性和可靠性。
直流永磁无刷电机驱动之光伏水泵
直流电动机以其机械特性好、调速范围宽、起动转矩大、运行效率高、控制简单等优点在运动控制系统中得到了广泛的应用,但是其电刷和换相器也带来了可靠性较低、需经常维护等弱点。近20多年来,随着大功率开关器件、模拟和数字集成电路、计算机技术、高性能磁性材料的快速发展,采用电子换相原理工作的无刷直流电动机也得到了相应快速的发展。它己从最初应用的宇航、军事设施领域迅速扩展到工业和民用领域,使用面日益广泛.目能小功率无刷直流电动机已大量用于计算机外围设备、办公室自动化和音响影视设备中,在一些电力传动系统中,其应用也愈来愈广泛。
若干年来无刷直流电动机开始在光伏水泵系统中被用作驱动电机间,这是由于该种电机具有一般交流电动机所不易达到的高效率,它可望在较大幅度上减少目前还相对昂贵的太阳电池的用量,具有显著的经济性。但是,由于光伏水泵通常要求电机潜入水中运行,因此本文的研究工作除需要解决常规的直流无刷电动机的运行驱动技术外,还要求电机能适应潜水的要求,也就是必须同时解决绕组的可靠绝缘问题。从机械密封的角度想方设法去解决潜水电机的密封问题固然是一种思路,但是甚难克服其结构复杂、相应的机械损耗偏大的问题。
光伏水泵的特点
光伏水泵系统全自动运行，无需人工值守，系统主要由光伏扬水逆变器、光伏阵列、水泵组成。系统省却掉蓄电池之类的储能装置，以蓄水替代蓄电，直接驱动水泵扬水。
光伏扬水逆变器对系统的运行实施控制和调节，实现最大功率点跟踪。当日照充足时保证系统额定运行，当日照不足时，设定最低运行频率满足，确保太阳能电池电力的充分应用。
太阳电池阵列由多块太阳电池组件串并联而成，吸收日照辐射能量，将其转换为电能，为整个系统提供动力电源。
水泵从深井或江河湖泊等水源中提水，注入水箱/池，或直接接入灌溉或喷泉等系统。直流泵、交流泵、离心泵、轴流泵、混流泵、深井泵等均可使用。
光伏电源的优势
（1） 可靠：光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。
（2） 安全，无噪声，无其他公害。不产生任何的固体，液体和气体有害物质，绝对的 环保。
（3） 安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等优点。尤其以其可靠性高而备受关 注。
（4） 兼容性好，光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要使光伏系统很方便的增容。
（5） 标准化程度高，可由组件串并联满足不同用电的需要，通用性强。
（6） 太阳能随处都有，应用范围广。
但是，光伏系统也有其缺点，比如：能量分散，间歇性大，地域性强。前期成本较高。
交流水泵利用太阳能，在无需任何外来能源的情况下可以机动灵活地用于农田灌溉、提供洁净人畜饮水、发展庭院经济、美化园区、构造彩色喷泉、为养鱼、养虾池增氧、海滨盐场供排水等。此外大量国际订货意向表明，这种高技术产品的国际市场前景令人十分鼓舞。交流水泵系统的应用不需要蓄电池，节省了电池更换的费用，减少了电池对环境造成的污染，作为一个刚刚崭露头角的产业，十分符合我国可持续发展的战略。
产品特点：寿命长、功耗低、噪音小、调速平衡、运行可靠、无干扰等。
光伏水泵系统利用来自太阳的持久能源，日出而作、日入而息，无需人员看管、无需化石能源、无需综合电网，独立运行、安全可靠。可与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，有效解决耕地灌溉问题，提高产量，节水节能，大幅降低传统能源、电力的投入成本。因此成为利用清洁能源替代化石能源的最为有效的方式，成为全球“粮食问题”、“能源问题”综合解决方案的新能源、新技术应用产品，特别符合国家建设“资源节约型”与“环境友好型”的社会发展战略。
发展光伏水泵的世界趋势
光伏水泵系统”亦称“太阳能光电水泵系统”,其基本原理是利用半导体太阳电池将太阳能直接转换为电能,然后驱动各类马达带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水,可以用作牧区、草原、边防哨所等缺电、无电地区的人畜饮用水,也可用于缺电、无电地区的草原、牧场或其它农作物的灌溉用水。在发达国家也已逐步地被用于花园、别墅、草地及宿营地等的供水设施,已逐步成为文明时尚的产品。
由于缺水,我国西部和西北地区的国土正以每年2500平方公里的速度被沙化,那里的人民往往不得不放弃家园向东迁移。我国西北部地区的缺水是否不可避免地必然严重到这种程度。这是值得探讨的。相关的水资源材料表明,仅我国新疆地区水资源的蕴藏量就达到1150亿立方米(大部分是地下水),这相当于两条黄河的径流量,消极盲目地抵制开发地下水资源实际上是对资源的极大浪费,相反,合理并可持续地开采、利用这些水资源就有可能重绿那片国土,非但丝毫无损那里的生态平衡,而且必定会带来巨大的生态和经济效益,必定会逐步良性地改变那里的面貌。
提取地下水的关键是动力,可是在电网未及的大西北边远农村,动力正是首缺,我国目前还有将近8000万人口居住在新疆、青海、西藏、甘肃、内蒙等省份的边远无电或严重缺电的干旱地区,这些地区的共同特点是人口密度低、居住分散、交通不便、气温偏低但太阳能资源丰富,有些地区还具有相当丰富的地下水资源。那里的人民渴望能用上电以解决他们的照明、洁净人畜饮水和农牧区灌溉、通讯、小家电甚至小规模的农产品加工问题。35VK供电线路的造价超过人民币80,000元/公里,这种小负荷、长距离的输电方式显然是不经济的。
柴油机供水、发电固然也是一种选择,但在边远地区燃料的运输、零配件的供应、维修力量的不足、高原地区柴油机效率低下等困难,使人们一直在寻找替代它的新途径。我国西部大部分地区的日照资源可高达18OOKWhlmZ/年,这是一个得天独厚的条件,因此光伏发电和提水自然就成了这些地区解决供电、供水问题最合乎逻辑的选择,再加上近若干年来光伏器件的不断降价和光伏水泵全自动、少维护等特点,就为大力推广光伏水泵系统提供了十分优越的条件。
毋庸赘述,由于光伏水泵是由太阳能直接驱动的,因此它具有十分明显的节能及环保效益,它不消耗常规能源,相比于柴油机水泵,它具有无噪声、全自动(日出而作,日入而停)、高可靠、供水量与蒸发量适配性好(“天大旱,它大干”)、经济性明显等许多优点,已在世界范围内倍受青睐,联合国国际开发署(UNOp)、世界银行组织(WB)、亚太经社会(ESCAP)等国际组织都先后在多个场合充分肯定了它的先进性与合理性,目前在这些国际组织的组织与支持下,全世界已有数万台不同规格的光伏水泵在不同地区和国家运行,特别是在亚、非、拉及中东等发展中国家,已为许多贫困地区的人民带来了可观的经济效益,加速了这些地区的脱贫步伐,体现了令人鼓舞的社会效益。
光伏水泵系统从技术上说是一个比较典型的“光、机、电一体化”系统,它涉及太阳能的采集、变换及电力电子、电机、水机、计算机控制等多个学科的最新技术,因此己被许多国家列为重要的发展对象,中东、非洲有不少国家更是制定计划,期望依藉太阳能水泵及微灌、现代农业等新技术在地下水资源比较充裕的干旱地区把家园改造为绿洲。