CN102937073A - 一种无蓄电池式昼夜光伏水泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种无蓄电池式昼夜光伏水泵系统，该系统属于太阳能光伏和燃料化学能利用的技术领域。其主要光热发电系统、变频控制器、交流电机、水泵、水箱、低水位传感器、中水位传感器和高水位传感器，其中，光热发电系统包括蝶式反射镜、二次透镜、圆盘辐射器、过滤层、热红外光电池、反射镜、燃烧室、散热装置。光热发电系统的效率高于一般的太阳能光伏发电系统的效率，同样的输出功率所需要的光伏电池就少，因此，降低了整个系统的成本。本发明中的无蓄电池式光伏水泵系统，即环保又能昼夜运行，弥补了无蓄电池光伏水泵系统在阴天，夜晚无法抽水的缺陷。同时，提高了原有无蓄电池式光伏水泵系统中光伏电池的光电转换效率并减少了水箱的尺寸。

Description

一种无蓄电池式昼夜光伏水泵系统
技术领域
本发明是一种无蓄电池式热光伏水泵系统，该系统属于太阳能光伏和燃料化学能利用的技术领域。
背景技术
在无电力供应的农村和边远地区，灌溉需要电力供应。光伏水泵抽水系统的出现，一定程度上解决了这些地区的饮水和农业用水问题。
目前，光伏水泵系统分为有蓄电池和无蓄电池两种。配有蓄电池的光伏水泵系统虽然能在无太阳光时（阴天或者晚上）运行，但蓄电池使用寿命短，需定期维护和更换、成本高；铅酸电池不环保，使用后难于降解环保处理；充放电需要专用控制器，整体转换效率低、系统可靠性有降低。无蓄电池的光伏水泵系统虽然环保，经济，控制简单，但无法在无太阳光时（阴天或者晚上）运行。本发明弥补了两者的缺点，既无需蓄电池，又可以在无太阳光时运行，且高效，低成本。
发明内容
本发明主要解决无蓄电池式光伏水泵系统无法在无太阳光的条件下运行的技术问题。本发明提出了一种能昼夜运行的无蓄电池式光伏水泵系统。
本发明的技术方案是：一种无蓄电池式昼夜光伏水泵系统，主要包括光热发电系统、变频控制器、交流电机、水泵和水箱，其中，光热发电系统包括蝶式反射镜、二次透镜、圆盘辐射器、过滤层、热红外光电池、反射镜、燃烧室、散热装置。
变频控制器把光热发电系统产生的直流电转换成频率自动变化的交流电。交流电驱动电机，电机通过联轴器带动水泵运行，水泵通过管道把地下水抽到地表给光热发电系统和水箱供水。热红外光电池和圆盘辐射器通过反射镜组成一个圆柱形的腔体，腔体为真空；腔体的上表面为圆盘辐射器，腔体下表面为热红外光电池，以二次透镜的中心为圆心进行布置，热红外光电池表面涂有一层过滤层，腔体的圆周面为反射镜；所述二次透镜固定在蝶式反射镜的焦点处，二次透镜在圆盘辐射器上形成的光斑与圆盘辐射器面积相等；燃烧室设置在圆柱形腔体的外侧，与圆盘辐射器接触。燃烧室两端设有输气管路，管路前端设有电磁阀。散热装置放置在腔体外侧，与热红外光电池接触。散热装置中的U型管路与水泵的输水管路连接。在水箱底部设有低水位传感器，中部设有中水位传感器以及水箱顶部设有高水位传感器。
蝶式反射镜和二次透镜起到高倍聚光作用，可提高单位面积上的太阳能，满足热光伏发电系统的要求。当有太阳光时，通过高倍聚光的太阳光加热圆盘辐射器；当无太阳光或者阳光较弱时，通过燃烧室加热圆盘辐射器，。热红外光电池把圆盘辐射器辐射出的光能转换成电能。圆盘辐射器采用                                                
Figure 24792DEST_PATH_IMAGE001
材料。热光伏发电系统经过高倍聚光的太阳能或燃料燃烧产生的热能加热圆盘辐射器，以近红外辐射形式经热红外光电池转化成电能；圆盘辐射器在1000-2000K的温度条件下工作时，辐射波谱中包含了很大一部分能量不足以使热红外光电池产生自由电子的光子，即光子能量低于热红外光电池的禁带宽度（
Figure 410774DEST_PATH_IMAGE002
），这部分能量会被热红外光电池吸收而成为有害热载，使其转换效率急剧下降。热红外光电池表面涂有一层过滤层，过滤层把低于热红外光电池禁带宽度的光子反射回圆盘辐射器。热红外光电池和圆盘辐射器通过反射镜组成一个圆柱形的腔体，腔体被抽真空，防止热对流，降低辐射器的温度。
公知的热光伏发电系统效率高于一般光伏电池的效率，因此同样的输出功率所需的光伏电池减小，降低了光伏发电成本。由于热红外光电池的发热量比一般光伏电池的发热量大，而温度又是影响热红外光电池转换效率的重要因素之一。散热装置采用水冷的方式，使热红外光电池的运行温度保持不变，防止效率下降。冷却水通过水泵提供，在光照强度上升或者燃料加大时，热光伏电池的发热量增大，散热所需的冷却水量就需要增加。此时，光伏水泵系统的出水量随光照强度的上升而增加。因此，输送冷却水的管路上就不需要安装阀门来调节流量，这样就减少了管路损失，同时又能保证热光伏电池温度恒定。
变频控制器具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，并能把直流电压直接转换成频率可变的交流电，频率由输入功率来确定，通过控制逆变电路中电桥导通组的切换时间来改变频率，通过闭环控制电路使得变频控制器输出的交流电频率的三次方与输入功率成正比。这样就能使交流电机的转速随着太阳能电池板输出功率的变化而自动变化，从而使水泵负载能与光伏阵列的输出功率相匹配。区别于通用变频器需要经过交-直-交的逆变电路转换，由于光伏阵列输出的为直流电，变频控制器只需直流变交流的逆变电路，这样既简化了逆变电路，又提高了光伏水泵系统的效率。
变频控制器、低水位传感器、中水位传感器、高水位传感器和电磁阀组成的水箱水位控制系统来控制系统的启停以及电磁阀的开度；能有效的根据用户用水量的需求，调整电磁阀的开度以及整个系统的启停，使得整个系统更为高效，同时，能减小水箱的尺寸。当水箱水位低于低水位传感器时，打开电磁阀，给燃烧室通燃气，并点燃加热圆盘辐射器，使得光伏发电系统增大输出功率，进而增大光伏水泵系统的抽水量，若仍低于下水位传感器，就增加电磁阀开度，加大沼气的输入量；当水箱水位高于中水位传感器时，减小电磁阀开度，降低光伏发电系统的输出功率，进而降低光伏水泵系统的抽水量，若仍高于中水位传感器，就继续减小阀门开度直至关闭；当水位高于高水位传感器时，光伏水泵停止运行。
本发明的有益效果是：通过光热发电系统的应用，解决了无蓄电池式光伏水泵系统在阴天和夜晚无法抽水的缺陷，同时该系统也不会存在蓄电池使用寿命短，需定期维护和更换、成本高；铅酸电池不环保，使用后难于降解环保处理；充放电需要专用控制器，整体转换效率低、系统可靠性有降低等缺点。同时，由于燃烧室的存在，大大减小了水箱的尺寸。光热发电系统的效率也高于一般光伏电池的效率。
附图说明
附图1为本发明结构示意图。
附图2为光热发电系统示意图。
图中1.光热发电系统，2. 变频控制器，3.电机，4.水泵，5.水箱，6.蝶式反射镜，7.二次透镜，8.圆盘辐射器，9.过滤层，10.热红外光电池，11.反射镜，12.燃烧室，13.散热装置，14.电磁阀，15.低水位传感器，16.中水位传感器，17.高水位传感器。
具体实施方式
结合图1、2，本发明所述的主要包括光热发电系统1、变频控制器2、交流电机3、水泵4、水箱5 、低水位传感器15 、中水位传感器16 和高水位传感器17，其中，光热发电系统1包括蝶式反射镜6、二次透镜7、圆盘辐射器8、过滤层9、热红外光电池10、反射镜11、燃烧室12、散热装置13。当水箱水位低于低水位传感器15时，打开电磁阀14，给燃烧室12通燃气，并点燃加热圆盘辐射器8，使得光伏发电系统1增大输出功率，进而增大光伏水泵系统的抽水量，若仍低于下水位传感器15，就增加电磁阀14开度，加大沼气的输入量；当水箱水位高于中水位传感器16时，减小电磁阀开度，降低光伏发电系统的输出功率，进而降低光伏水泵系统的抽水量，若仍高于中水位传感器16，就继续减小阀门开度直至关闭；当水位高于高水位传感器17时，通过变频控制器2，停止光伏水泵4运行。

Claims (4)

1.一种无蓄电池式昼夜光伏水泵系统，其特征在于，包括光热发电系统(1)、频控制器(2)、交流电机(3)、水泵(4)、水箱(5) 、低水位传感器(15) 、中水位传感器(16) 和高水位传感器(17)；变频控制器(2)把光热发电系统(1)产生的直流电转换成频率自动变化的交流电，交流电驱动电机(3)，电机(3)通过联轴器带动水泵(4)运行，水泵(4)通过管道把地下水抽到地表给光热发电系统(1)和水箱(5)供水；所述光热发电系统(1)包括蝶式反射镜(6)、二次透镜(7)、圆盘辐射器(8)、过滤层(9)、热红外光电池(10)、反射镜(11)、燃烧室(12)、散热装置(13)；热红外光电池(10)和圆盘辐射器(8)通过反射镜(11)组成一个圆柱形的腔体，腔体为真空；腔体的上表面为圆盘辐射器(8)，腔体下表面为热红外光电池(10)，以二次透镜(7)的中心为圆心进行布置，热红外光电池(10)表面涂有一层过滤层(9)，腔体的圆周面为反射镜(11)；所述二次透镜(7)固定在蝶式反射镜(6)的焦点处，二次透镜(7)在圆盘辐射器(8)上形成的光斑与圆盘辐射器(8)面积相等；燃烧室(12)设置在圆柱形腔体的外侧，与圆盘辐射器(8)接触；燃烧室(12)两端设有输气管路，管路前端设有电磁阀(14)；散热装置(13)放置在腔体外侧，与热红外光电池(10)接触；散热装置(13)中的U型管路与水泵的输水管路连接；在水箱底部设有低水位传感器(15)，中部设有中水位传感器(16)以及水箱顶部设有高水位传感器(17)。
2.根据权利要求1所述的一种无蓄电池式昼夜光伏水泵系统，其特征在于，所述变频控制器(2)通过控制逆变电路中电桥导通组的切换时间来改变频率，通过闭环控制电路使得变频控制器(2)输出的交流电频率的三次方与输入功率成正比。
3.根据权利要求1或2所述的一种无蓄电池式昼夜光伏水泵系统，其特征在于，水箱上的低水位传感器(15) 、中水位传感器(16) 和高水位传感器(17)以及电磁阀(14)和变频控制器(2)连接组成的水位控制系统。
4.根据权利要求1或2所述的一种无蓄电池式昼夜光伏水泵系统，其特征在于，水泵(4)的抽水量与热红外光电池(10)的输出功率成正比，热红外光电池(10)的发热量与热红外光电池(10)的输出功率成正比，散热装置(13)的散热量与水的流量成正比。
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