一种提高光伏水泵系统效率的新技术

摘要

本发明涉及一种提高光伏水泵系统效率的新技术，属太阳能发电驱动水泵技术领域。其特征是采用两台及以上的相同水泵并联工作，在光强较低时，仅启动一台水泵工作，在光强较高时两台或多台水泵可同时工作，充分利用太阳能光伏方阵所发出的电力，使光伏系统的整体效率得到较大的提高，成本得到有效控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高光伏水泵系统效率的新技术，属太阳能发电驱动 水泵技术领域。

背景技术：

光伏水泵系统效率的提高大家比较关注是提高控制器和逆变器的效率 ，包括最大功率跟踪(MPPT)等，其实光伏水泵系统配置是提高系统效 率的关键。但由于太阳辐照度在一天中变化很大，当太阳辐照度较低 时，由于光伏方阵输出的功率有限，不能驱动水泵突破阀值开始工作 ，在没有蓄电池配置时，这些达不到阀值的太阳辐射能就被浪费了。

有时为充分利用低辐照度的太阳能，在光伏水泵系统中增加蓄电池， 将此时不能驱动水泵工作的能量存储在蓄电池中，当蓄电池储满电时 再用来驱动水泵工作^[1]。如果配置蓄电池也带来两方面的问题，一方面 系统的成本增加很多，另一方面蓄电池的寿命较短，在工作5~6年就需 要更换，也显著增加了光伏水泵的运行成本。

常规光伏水泵系统为了充分发挥水泵的性能，一般配置的光伏组件功 率要大于水泵约25%^[2]，但这种配置实际上在低扬程水泵中工作还比较 好，但在高扬程水泵中问题就比较多，需要较高的太阳辐照度才能工 作，这样一天中就没有多少时间可以抽水。

为了使光伏水泵在稍低光强（如300~400W/m²）下能工作需要将 光伏组件的功率显著增加，我们经过试验证明甚至将组件配置接近翻 倍在低光强下仍不能工作，而在高光强下又浪费，因为水泵不需要那 么多的能量，导致系统效率不高，成本过高。

参考文献：

[1] 赵郑鸣，陈剑，孙晓瑛，《太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术 》，北京：电子工业出版，2012年4月，p.132

[2] Teresa D. Morales, Design of Small Photovoltaic  (PV)Solar-Powered Water Pump Systems, Technical Note N o. 28, issued Oct 2010, US Department of Agriculture , NRCS (Natural Resources Conservation Service)

发明内容

本发明目的在克服现有技术的缺点，发明一种采用采样光伏组件或太 阳电池，得到瞬时的太阳辐射及光伏组件工作温度信息，更准确控制 光伏水泵工作，真正实现光伏方阵的最大功率跟踪，同时再采用两个 及两个以上的相同扬程的水泵并联工作方式，实现多台水泵依顺序启 动工作模式。

本发明是通过以下的技术方案实现的：由光伏方阵、采样组件、逆变 器、水泵三部分组成的一种提高光伏水泵系统效率的新技术，其特征 在于将两个小片太阳电池采用与光伏方阵相同的材料和工艺封装起来 ，用镀锡焊带将这两个小片太阳电池的输出引出来，构成采样小组件 ，将采样小组件与光伏方阵安装成相同方位及倾角，其中一个电池的 短路电流作为太阳辐照度的采样，另一个电池的开路电压作为 温度的采样，使用这个采用小组件能同时获得光伏方阵所处位置的太 阳辐照度和温度数据；

或者将两个小片太阳电池直接封装在光伏组件中，该组件的引出接线 盒中增加两路输出，其中一个电池的短路电流作为太阳辐照度的采样 ，另一个电池的开路电压作为温度的采样，这样使用这个采样小组件 也能同时得到光伏方阵所处位置的太阳辐照度和温度；

将太阳辐照度和温度两个数据输送到泵组控制器中，经泵组控制器内 的单片机处理后，分别控制两台或两台以上并联连接的水泵工作，在 低太阳辐照度时仅启动一台水泵工作，太阳光辐照强度超过一台水泵 满负荷工作后，再启动第二台水泵工作，这样依顺序启动多台水泵工 作。

每台水泵前端与管道连接部位装有单向阀。

所述的采样小组件得到瞬时太阳辐射度、光伏方阵工作温度及获得到 的光伏方阵准确功率数据后，输送到水泵用的变频泵组控制器中，控 制软件快速响应，采用动态太阳辐照度及方阵温度最大功率点跟踪（ PTMPPT）控制法，直接调整水泵的工作频率及光伏方阵的最大功率点 的电压，让水泵运行稳定，保证水泵工作时不掉线；通过控制逆变器 让光伏方阵最大功率跟踪太阳光照更精准、让光伏水泵工作状态控制 更精确。

所述的装有逆变器使用交流水泵，没有装逆变器只能使用直流水泵。

工作原理:为解决光伏水泵在低光强下仍能工作，提高系统的整 体效率，本发明采用控制器来同时控制使用两个及两个以上的相同扬 程的水泵并联工作，在低太阳辐照度时仅启动一台水泵工作，光强超 过一台水泵满负荷工作后再启动第二台水泵工作，这样依顺序启动多 台水泵工作。

如果采用两台水泵并联工作，水泵满负荷工作的太阳辐照度就减小到 二分之一，如果采用三台水泵并联工作，水泵满负荷工作的太阳辐照 度就减小到三分之一，这种模式充分利用了低辐照度的太阳能，又避 免了采用蓄电池这种成本较高的模式。

当然本发明并联的水泵也不是越多越好，一般比较合理两台至八台。 尽管两台水泵及以上水泵的并联，其流量要小于单独泵流量的总和， 但只要将管道设计好，小的部分是比较有限的。该方案光伏水泵的总 体效率要大于单独采用一台泵的效率。

 本发明新的水泵使用控制技术，能够大幅提高光伏系统的效率，使 光伏水泵在低光强下能够工作，在高光强下也不形成浪费，这样也显 著降低了光伏水泵的系统成本，具有市场前景。

附图说明

下面结合附图所示实施例，对结构作进一步说明，但本发明保护范围 不限于此实施例。

图1为本发明水泵组成示意图。

图2 为本发明水泵控制框图。

图3为本发明一个实施例具体控制电路。

图4是本发明由两个小片太阳电池组成采样小组件结构示意图。

图5为本发明将采样小组件太阳电池片封装进常规组件的示意图。

图中：1为短路电流采样太阳电池；2为开路电压采样太阳电池；3水泵 ；4单向阀；5维修阀。

具体实施方式

按图4或图5所示方法之一，制作采样小组件，将从采样小组件太阳电 池中获得的太阳辐照度及温度等数据，送入光伏水泵用的变频控制器 ，控制软件快速响应，直接调整水泵的工作频率及光伏方阵的最大功 率点的电压，采用动态太阳辐照度及方阵温度最大功率点跟踪（PTMP PT）控制法，让两者保持最为匹配状态，让水泵运行稳定，

本发明采用采样小组件能同时获得太阳辐照度及光伏方阵的温度，主 动及时改变光伏方阵的最大工作点，这种跟踪模式比常规定电压跟踪 效率要高很多，且最大的优势是跟踪准确及时，在太阳辐射快速变化 时能及时跟踪上，使光伏水泵系统的工作效率得到了极大的提高，这 在高扬程的水泵系统中是至关重要的。

本发明光伏方阵为一个整体，其功率配备取决于当地正午时常见的太 阳辐照度，一般为扣除温度增加及组件组合损耗带来的损失，适当考 虑效率衰减带来的损失，其输出功率应不小于全部水泵满负荷工作需 要的功率。采用两台以上同样扬程的水泵并联工作，在每一个支路上 安装单向阀，避免不工作支路引起水倒流（见图1）。

对每一台水泵采用一个控制程序，在使用交流泵时采用变频器，对所 有的水泵启动/停止采取统一的管理，技术上采用单片机来实现 管理，采用太阳辐照度采样组件来控制各个水泵的启动和停止，见图 2原理框图。

当太阳辐照度较低时，启动一台水泵，其他水泵停止，当太阳辐照度 增大第一台泵已经工作在满负荷状态，及时启动第二台泵，增加提水 。当第二台泵也满负荷工作时，又及时启动第三台泵，依次类推。

如果出现太阳辐照度降低，不足以驱动多台泵同时工作，及时停止一 台泵工作，如果光伏方阵的输出依然达不到目前所供水泵工作就再停 止一台，直到光伏方阵的输出能提供最低水泵工作为止，这样就充分 利用了各种强度的太阳能。为避免一台水泵经常工作而提前损耗，在 设置上可以顺序调整，让每台泵的工作时间几乎均等。

本发明控制系统理论基础：太阳能光伏电池原理是光生伏特效应，其 短路电流也成为光生电流，是所有光子所激发的电子-空穴对被内建电 场分离后达到电极的带电粒子的总和，与太阳辐照度成正比，因此短 路电流的大小直接反映了太阳辐照度的大小。

从太阳电池的等效电路得到其特性如下：

I=I_ph-I₀[exp(qV/kT)-1]    （1）

式中I、V为太阳电池的工作电流、电压，I_ph为太阳电池的光生电流， I₀为饱和暗电流。

在短路情况下V=0，有

I_sc=I_ph

即短路电流等于太阳电池的光生电流。根据实验测量太阳电池的短路 电流正比于太阳辐照度，因此知道了太阳电池的短路电流即知道 了太阳辐照度。

在开路情况下I=0有

$V_{\mathrm{oc}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln (\frac{I_{\mathrm{ph}}}{I_0}-1)$

一般I_ph/I₀〉〉1，则有

$V_{\mathrm{oc}}=\frac{\mathrm{kT}}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{ph}}}{I_0}\right)$

所以，知道了短路电流和开路电压，也就知道了太阳电池的工作温度 。知道了太阳辐照度及温度，可以根据太阳电池的I-V曲线方程准确知 道太阳电池的工作状况，当然也知道最大功率点在哪儿。本发明克服 传统定电压MPPT 等方法在日照强度快速变化时跟踪效果差、水泵运 行不稳定的问题。这样使水泵能依据更准确地数据工作在光伏方阵的 最大功率点上，提高光伏水泵系统的效率。