太陽能水泵系統的研究現狀與趨勢

熱泵 談明高 江蘇大學流體機械工程技術研究中心

  太陽能水泵系統包含電池板、電力電子控制器、電機和水泵等設備,是多學科綜合應用的一門技術,它是發展新能源利用和節能減排的重要手段和成果。本文回顧了太陽能水泵系統配置的發展歷程和現狀,對太陽能水泵系統性能預測方法、系統匹配、控制策略、綜合評價等研究方面進行分析總結,并簡要介紹了提高系統運行效率的手段,最后展望了系統研究的發展方向。

1、引言

  太陽能水泵系統是由太陽能電池板驅動電機和水泵運行的系統。自1978 年安裝第一批太陽能水泵系統以來,太陽能水泵系統不斷改進和完善,近些年已大量應用在農村灌溉、飲水及城市景觀中。太陽能水泵系統的產生和發展對解決偏遠地區用水、緩解傳統能源依賴和節能減排有著重要意義。自產生之日起,國內外學者做了大量有關太陽能水泵系統的研究,使太陽能水泵系統不斷發展完善,從內容來看這些研究主要可分為系統的配置研究、性能預測、系統優化及評價。

2、太陽能水泵系統配置

  由于太陽能電池板輸出電能為直流形式,因而采用直流電機與電池板陣列直接耦合成為最直接最簡單的系統,因此早期的應用和研究集中在水泵、直流電機與電池板直接耦合的系統上。如Roger 等通過試驗得到0. 5kW 的電池板與泵直接耦合的系統的性能。Appelbaum 等把電池板分別與串勵直流電機、并勵直流電機、他勵直流電機連接驅動恒定負載和風機類負載,比較他們的啟動特性和穩態特性,并根據負載的輸入功率與電池板最大接收功率之比定義負載與電池板的匹配度,隨后又研究了電池板帶6 種不同負載(電阻、蓄電池、電解槽、功率調節器、直流電機分別驅動容積式和離心式水泵負載) 的匹配情況,結果顯示在直接耦合的系統中蓄電池和離心泵與電池板匹配良好,而容積式泵與電池板匹配較差。之后他們對比研究了系統帶有MPPT(Maximum Power Point Trace) 和不帶MPPT 的永磁、他勵、串勵、并勵直流電機的啟動特性,發現帶有MPPT 的系統電機啟動與額定電流比、轉矩比均比不帶MPPT 的系統高,各類型電機電流放大比例相同,永磁電機轉矩放大比例最低、整體式他勵電機最高。他們發現在啟動階段,電池陣列相當于一個恒流源,當驅動加速時相當于恒壓源。雖然有刷直流電機使用方便,但通常維護不方便,對于潛水泵系統,更換電刷需要把泵從井中取出并拆開,從而增加運行成本,因此其可靠性較低。

  為了克服這一缺點,人們開始大量應用無刷直流電機,其動態性能良好,能效高,與電池板匹配度高。但是,無刷直流電機功率通常較小,且價格較貴,因而只應用于低功率系統中。對于大功率系統,太陽能水泵系統應該尋求電機與陣列的最佳組合來達到高效率、低成本、高可靠性。在大功率系統中使用逆變器和交流異步電機是較為合適的方案。與一般直流電機相比,交流異步電機更堅固耐用,工況變化范圍更大,工作可靠,且成本低,也不需要維護。同時交流電機為系統效率的提升提供更大空間和多樣的控制策略。隨著系統功率的進一步增大,其功效可逐步抵消添加逆變器的費用。

  除了電池陣列及電機- 泵裝置這兩個主要部分,為了最大限度利用光照,在系統中加入功率跟蹤器來使電池板運行在最大功率處; 加入蓄電池或蓄水池等裝置來儲存能量; 在有交直流轉換的系統中加入變頻器以使電機變轉速運行。Singer等的研究表明帶有MPPT 的系統電機啟動電流和轉矩放大倍數明顯增大,且可使全天光照利用率增加。蓄電池可緩沖電池板電力供應和提供給負載穩定電源。Khouzam 等指出帶有蓄電池緩沖的系統可以提供幾乎恒定的負載電壓,適當選擇蓄電池工作電壓可以產生接近帶有MPPT 系統的效率; 蓄電池的緩沖作用使負載沒有明顯的季節依賴性。但對于要求不高的用水系統,在適當情況下以蓄水方式也能達到接近蓄電系統的效果,且更為經濟、環保和方便。因此,大多一般用途的系統都選擇蓄水方式。這些裝置的添加對于系統效率的提升都有重要作用。

  目前產品中電池板和水泵之間有以下3 種耦合方式:

  (1) 直接耦合:直流電機- 泵+ 控制器+電池板。

  (2) 直流電機帶最大功率跟蹤器:直流電機- 泵+ 控制器( 帶MPPT) + 電池板。

  (3) 交流電機帶最大功率跟蹤器和變頻逆變器:交流電機- 泵+ 控制器( 帶MPPT 和變頻逆變器) + 電池板。

  對于戶用水泵,一般電機功率在2kW 以內,使用直流電機的優勢較為明顯。一些廠家使用高效三相異步電機,其優勢在大功率(5kW 以上) 系統中能得到較好體現。

5、展望

  目前硅太陽能電池板效率在短時期內很難有大的提升,雖然第二代薄膜太陽能電池和第三代有機質太陽能電池具在成本上有明顯優勢,但與目前硅太陽能電池板的大規模生產相比還不具競爭力。未來一段時間內,硅電池板仍將占據市場大量份額。因此,今后太陽能水泵系統研發方向應該集中在以下3 個方面:

  (1) 研發高效水泵及電機,以提高電機和水泵在大范圍轉速、流量變化下的高效區范圍及降低系統揚水閾值功率。開發低成本、高可靠性智能控制器以提高各組件間性能匹配、應對多變的氣候狀況,從而提高系統動態品質和全局效率。同時提高中小型風- 光- 熱等能源互補利用綜合技術的開發及推廣;

  (2) 氣候、光照、水位、需水等多因素變化下太陽能水泵系統長期性能預測的通用方法及基于動態變化下系統設計方法,建立不同地區的數據庫,以逐步取代使用靜態平均值估計的方法;

  (3) 隨著電池板價格的降低及中小型太陽能系統的發展,今后在優化電池板功率的基礎上應加大對系統運行可靠性的評價以提高系統長期運行可靠性和供水的穩定。