CN104805888B - 光伏提水系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏提水系统，包括由太阳能电池板构成的光伏阵列，与该光伏阵列连接的太阳跟踪系统，该太阳跟踪系统控制该光伏阵列时刻对准太阳的方位；该光伏阵列通过功率调节电路与电动机连接；该功率调节电路通过改变负载阻抗来调节太阳能电池板构成的光伏阵列的输出，在太阳光照强度减弱时，该功率调节电路将光伏阵列提供的多余电压转换成电流；控制系统分别与功率调节电路和电动机电连接，用于向功率调节电路发送控制信号，并控制电动机的启动、关闭和转速；电动机与水泵连接；水泵向蓄水系统供水；蓄水系统与供水系统通过供水管道连接。该系统既可以采用离心泵也可以采用容积泵，能够保证太阳能电池板的工作电流和电压在最大功率点上运行。

Description

光伏提水系统

技术领域

本发明涉及到光伏提水系统，属于太阳能光伏利用领域。

背景技术

光伏提水系统是将太阳的辐射能转变成电能，再由电能驱动水泵来达到提水的目的的装置。光伏提水系统轻巧方便，机动灵活，适用范围广，经济性好，不仅是边远无电地区供水的重要手段，也是其他地区和领域的一种理想供水方式，可用于村庄、牧场、家庭的人畜供水，也可以同节水灌溉相结合进行农田和人工草场的灌溉。

传统的光伏提水系统的结构属于现有技术，例如在文献CN201459802U中公开了一种适用于高寒地区的光伏电源提水供水系统，包括光伏电源、控制管理系统、光伏水泵、蓄水系统、阀门、供水网、输电线、输水管，所述的光伏电源通过输电线与光伏水泵相连，光伏水泵与蓄水系统相连，控制管理系统分别与光伏水泵和阀门相连，阀门输出端与供水网连接；所述的控制管理系统具有PLC可编程控制的功能特点；所述的光伏水泵设置在机井下，光伏水泵通过输水管与蓄水系统连接；所述的光伏水泵最大流量4.0m³/h，最大扬程40m。与现有技术相比，该光伏电源提水供水系统将太阳辐射能转变成电能，然后由电能驱动水泵来从井抽水达到扬水的目的，同时通过蓄水解决光伏提水系统阴天和夜间无法提水的不足，保证用水的随时性。采用光伏水泵取水，无污染，不消耗燃料，维护简便，性能可靠，有效地了青藏高原无电地区缺电、缺水问题，节省了能源，保护了环境。采用水泵具有最高扬程可达40米，流量最大可达4.0m³/h，高可靠性、使用寿命长、安装方便等诸多优点。光伏水泵技术是利用太阳能电池将太阳能直接转换成电能，然后通过控制逆变器驱动电机带动水泵，它具有不消耗常规能源、无污染、无需远距离架设电线、全自动、高可靠性等优点。控制器控制水位探针，当水泵脱离水源时，控制器可以自动切断电源，从而保护泵体。当日照条件和水源条件充足时，停止的水泵可在20分钟后自动恢复运行状态。控制器具有防止水泵反转、过载、高温保护功能。控制器可以控制水泵最大运行速度，可将泵速调整到流量为最大流量的30％。具有输入最大功率跟踪功能和逆变功能。对蓄电池具有欠压保护和恢复功能。

文献CN103355136A公开了一种光伏提水节水灌溉自动控制系统，它主要由一台压力传感器、可编程逻辑控制器、多台电磁阀等组成；压力传感器与可编程逻辑控制器的输入端相联，电磁阀与可编程逻辑控制器的输出端相联，压力传感器安装在输水管道上，每一支管上安装一只电磁阀。该光伏提水节水灌溉自动控制系统的工作过程为：光电池输出功率随着光强的变化而变化，输水管道的压力也跟着发生变化，压力传感器将压力信号送入可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器对输水管道压力进行实时监测。当输水管道压力达到一设定值时，开启一路支管上的电磁阀，当光强变大，输出功率上升时，输水管道压力增加到一定程度，可编程逻辑控制器测得后，指示执行元件动作，打开一路支管上的电磁阀，该支管上的喷头开始工作，管道压力随即会下降，保证开启电磁阀的各支管上的喷头能正常工作；当光强变小、输出功率下降时，输水管道压力下降到一定程度，可编程逻辑控制器测得后，指示执行元件动作，关闭一路支管上的电磁阀，该支管上的喷头停止工作，输水管道压力随即会上升，保证开启电磁阀的各支管上的喷头能正常工作。可编程逻辑控制器根据实时监测到的压力的变化，控制安装于各支管上电磁阀的开启与关闭，达到稳定管道压力的目的，使节水灌溉设备保持稳定工作。另外，根据太阳能资源和田间布置的情况，对每日的轮灌次数和每次各支管的工作时间进行设定，可编程控制器在打开各支管电磁阀的同时对各支管的工作时间进行计时，当工作时间到达设定值后，即关闭该支管，打开没有工作的支管，达到各支管在一日内出水量相等的目的。

文献CN203718287U公开了一种移动式光伏提水车，是由车体，太阳能电池板，光伏逆变器，潜水泵组成，包括由车体，万向轮，吊钩组装成可移动的拖车；由单晶硅板，铝合金边框，连杆和滑轨组成可调整角度的发电装置；车厢内放置的光伏逆变器将电流转换提供电源供潜水泵使用；潜水泵连接水管,接上电源后组成供水装置。该移动式光伏提水车将太阳能转变成电能，不需要经过蓄电池，然后由电能驱动光伏水泵从主干沟渠提水到田地，用于灌溉、养殖和人畜用水。车体可灵活地调整方向，由此所承载的太阳能电池板可以根据光照条件人工调整角度，使阳光垂直照射，提高光能利用率，可移动式车体可方便地从一个水源地移动到另一个水源地，适应性好，机动灵活。

传统的光伏提水系统基本上只能选用直流电动机和离心泵，因为直流电动机和离心泵的功率规格与太阳能电池组件的输出比较相符。而对于容积泵来说，通常有着完全不同的扭矩速度特性，很难与太阳能板直接匹配。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提出一种既可以采用离心泵也可以采用容积泵的光伏提水系统。

离心泵通常被应用在扬程小，排量大的项目中，离心泵速率即叶轮的角速度的平方与其扭矩成正比。一旦水泵速度减慢，其抽水性能会大幅下降。也就是说除非水泵能够达到一定的转速，否则根本抽不动水。特别是在光照偏低的时段，离心泵在光伏提水系统中的应用必须考虑到转速的问题。高速运转可以使系统系能发挥到最佳，并让水泵更容易与发动机同步运转，在和电动机转速相近时，离心泵的扭矩趋向最大值，达到最高效率。但是让离心泵保持在最高运行效率会对输入电压和电流的范围提出非常苛刻的要求。对于配套的光伏系统来说，需要安装最大功率点跟踪系统。另外由于离心泵不能自动为泵室注水，所以离心泵需要设在水面以下，但是由于直流电动机需要一个电刷，无法将直流电动机置于水下，因此需要设置一个驱动轴连接直流电动机和离心泵。由于离心泵的扭矩与其转速的平方成正比，而流经电动机绕组的电流会直接影响电动机的扭矩输出。一旦光伏系统的太阳能电池板输出的电流降低，电动机的扭矩也会随之下降，这不但会影响抽水速度，也会相应地降低电动机本身的反电动势，最终导致电动机对工作电压需求的下降。

容积泵在扭矩稳定时，泵的运转速度会直接影响其抽水速率。对于光伏系统来说，输出的电流会直接影响电动机产生的扭矩大小，为了使电动机能够保持稳定的扭矩以使容积泵的输出达到定值，需要优先考虑恒定电流。但是光伏系统的太阳能电池输出的电流与日照量成正比，假如容积泵的工作电流和太阳能电池的最大功率电流相匹配，那么一旦光照强度降低，电流就将无法维持期望的电动机转速，容积泵的抽水速率就会随之下降。根据恒扭矩特性，当电流低于电动机的临界电流时，容积泵也有停机的危险。为了避免这种情况的频繁发生，本发明将容积泵的临界电流设置在不高于于光伏系统最大输出电流的70%的位置。容积泵所需要的扭矩大小根据扬程、管线材质与直径以及水泵的摩擦系数而定，但转速对扭矩的影响不大。在此情况下，电动机需要一个最低电流以维持其扭矩输出。而水泵的抽水速度主要取决于驱动电压，只有当电动机产生的反向电动势和太阳能电池施加的电压相吻合时，抽水速率才会开始上升。一旦光伏阵列的输出电流下降并低于系统的需求量，那么就会造成水泵抽水能力下降甚至停止工作，同时太阳能电池板的输出电流也会被白白浪费掉。

对于光伏系统的太阳能电池板来说，当光照强度减弱时，太阳能电池板的输出电流会相应的等比例下降，而最大功率点的电压仍基本保持不变。但是对于电动机和水泵系统而言，当电流降低时，电压也会下降。因此太阳能电池板的工作电流和电压会随着光照强度的下降逐渐偏离最大功率点。

综合考虑离心泵、容积泵和光伏系统的太阳能电池板各自的性能特点，本发明提供一种光伏提水系统。根据本发明的第一方面，本发明所述的光伏提水系统包括由太阳能电池板构成的光伏阵列，与该光伏阵列连接的太阳跟踪系统，该太阳跟踪系统控制该光伏阵列时刻对准太阳的方位；该光伏阵列通过功率调节电路与电动机连接；该功率调节电路通过改变负载阻抗来调节太阳能电池板构成的光伏阵列的输出，在太阳光照强度减弱时，该功率调节电路将光伏阵列提供的多余电压转换成电流；控制系统分别与功率调节电路和电动机电连接，用于向功率调节电路发送控制信号，并控制电动机的启动、关闭和转速；电动机与水泵连接；水泵向蓄水系统供水；蓄水系统与供水系统通过供水管道连接。

根据本发明的第二方面，本发明所述的光伏提水系统的功率调节电路包括与太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压的正极串联连接的电阻和电感，该电感一端与电阻连接，另一端与晶体管的集电极连接，晶体管的发射极与电枢电阻的一端连接，电枢电阻的另一端与电枢电感的一端连接，电枢电感的另一端与电动机连接，电动机的另一端与太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压的负极连接；还包括电容器，该电容器一端连接在电感与晶体管的集电极之间，另一端连接太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压的负极；还包括二极管，该二极管的正极连接在晶体管的发射极，该二极管的负极连接到太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压的负极；晶体管的发射极和基极之间连接有信号控制电路，该信号控制电路从控制系统接收控制信号，并根据该控制信号向晶体管的基极输出开/关控制信号。

根据本发明的第三方面，本发明所述的光伏提水系统的水泵是离心泵和/或容积泵。

根据本发明的第四方面，本发明所述的光伏提水系统的离心泵设置在水面以下，电动机设置在水面以上，电动机通过驱动轴与离心泵连接。

根据本发明的第五方面，本发明所述的光伏提水系统的容积泵的临界电流不高于光伏阵列最大输出电流的70%。

根据本发明的第六方面，本发明所述的光伏提水系统的电动机为直流电动机，包括串联直流电动机、永磁直流电动机、并厉直流电动机或无刷永磁直流电动机。

根据本发明的第七方面，本发明所述的光伏提水系统的电动机为交流电动机，包括异步电动机或同步电动机。

根据本发明的第八方面，本发明所述的光伏提水系统还包括与太阳能电池板构成的光伏阵列连接的蓄电池，包括铅酸蓄电池和/或镍镉蓄电池，该蓄电池同时与功率调节电路连接，用于在光伏阵列输出功率不足时为电动机提供补充电源。

根据本发明的第九方面，本发明所述的光伏提水系统还包括防止蓄电池过充的电压调节装置。

根据本发明的第十方面，本发明所述的光伏提水系统的交流电动机还连接有逆变器。

根据本发明所述的光伏提水系统，既可以采用离心泵也可以采用容积泵，能够保证太阳能电池板的工作电流和电压在其最大功率点上运行，优化电动机与水泵系统的输入电压和电流的组合，可以在任何光照条件下降太阳能阵列的输出自动和系统的其他部件进行匹配。

附图说明

图1为本申请所述的光伏提水系统的整体结构示意图。

图2为本申请所述的光伏提水系统的功率调节电路的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的光伏提水系统包括由太阳能电池板构成的光伏阵列，与该光伏阵列连接的太阳跟踪系统，该太阳跟踪系统控制该光伏阵列时刻对准太阳的方位；该光伏阵列通过功率调节电路与电动机连接；该功率调节电路通过改变负载阻抗来调节太阳能电池板构成的光伏阵列的输出，在太阳光照强度减弱时，该功率调节电路将光伏阵列提供的多余电压转换成电流；控制系统分别与功率调节电路和电动机电连接，用于向功率调节电路发送控制信号，并控制电动机的启动、关闭和转速；电动机与水泵连接；水泵向蓄水系统供水；蓄水系统与供水系统通过供水管道连接。供水系统为农田灌溉或者人畜用水提供水源。

如图2所示，所述的光伏提水系统的功率调节电路包括与太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压V的正极串联连接的电阻R和电感L，该电感L一端与电阻R连接，另一端与晶体管V1的集电极连接，晶体管V1的发射极与电枢电阻R2的一端连接，电枢电阻R2的另一端与电枢电感L2的一端连接，电枢电感L2的另一端与电动机E连接，电动机E的另一端与太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压V的负极连接；还包括电容器C，该电容器C一端连接在电感L与晶体管V1的集电极之间，另一端连接太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压V的负极；还包括二极管V2，该二极管V2的正极连接在晶体管V1的发射极，该二极管V2的负极连接到太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压V的负极；晶体管V1的发射极和基极之间连接有信号控制电路S，该信号控制电路S从控制系统接收控制信号，并根据该控制信号向晶体管V1的基极输出开/关控制信号。

由于离心泵的扭矩与其转速的平方成正比，而流经电动机绕组的电流会直接影响电动机的扭矩输出。一旦光伏系统的太阳能电池板输出的电流降低，电动机的扭矩也会随之下降，这不但会影响抽水速度，也会相应地降低电动机本身的反电动势，最终导致电动机对工作电压需求的下降。这种情况下，需要将光伏阵列输出的多余的电压转换成电流。

而对于容积泵来说，在扭矩稳定时，泵的运转速度会直接影响其抽水速率。对于光伏系统来说，输出的电流会直接影响电动机产生的扭矩大小，为了使电动机能够保持稳定的扭矩以使容积泵的输出达到定值，需要优先考虑恒定电流。但是光伏系统的太阳能电池输出的电流与日照量成正比，假如容积泵的工作电流和太阳能电池的最大功率电流相匹配，那么一旦光照强度降低，电流就将无法维持期望的电动机转速，容积泵的抽水速率就会随之下降。而水泵的抽水速度主要取决于驱动电压，只有当电动机产生的反向电动势和太阳能电池施加的电压相吻合时，抽水速率才会开始上升。一旦光伏阵列的输出电流下降并低于系统的需求量，那么就会造成水泵抽水能力下降甚至停止工作，同时太阳能电池板的输出电流也会被白白浪费掉。对于光伏系统的太阳能电池板来说，当光照强度减弱时，太阳能电池板的输出电流会相应的等比例下降，而最大功率点的电压仍基本保持不变。但是对于电动机和水泵系统而言，当电流降低时，电压也会下降。因此太阳能电池板的工作电流和电压会随着光照强度的下降逐渐偏离最大功率点。这种情况下，同样需要在光照强度减弱的时候，将光伏阵列输出的多余的电压转换成电流。

由于设置了上面描述的功率调节电路，能够在光照强度减弱时，将光伏阵列输出的多余的电压转换成电流。这样既保证了太阳能电池构成的光伏阵列能够输出维持期望的电动机转速的电流，不至于导致容积泵停机，同时能够满足离心泵的扭矩和抽水速度，因此本申请的光伏提水系统既可以采用离心泵也可以采用容积泵。而且由于能够功率调节电路的存在，保证了太阳能电池板的工作电流和电压在其最大功率点上运行，能够优化电动机与水泵系统的输入电压和电流的组合，可以在任何光照条件下降太阳能阵列的输出自动和系统的其他部件进行匹配。

由于离心泵本身不能自动为泵室注水，因此本申请将离心泵设置在水面以下，作为潜水式离心泵使用。但是由于直流电动机需要一个电刷，无法将直流电动机置于水下，因此本申请将电动机设置在水面以上，电动机通过驱动轴与离心泵连接。

另外，由于光伏系统的太阳能电池输出的电流与日照量成正比，假如容积泵的工作电流和太阳能电池的最大功率电流相匹配，那么一旦光照强度降低，电流就将无法维持期望的电动机转速，容积泵的抽水速率就会随之下降。根据恒扭矩特性，当电流低于电动机的临界电流时，容积泵也有停机的危险。为了避免这种情况的频繁发生，本发明将容积泵的临界电流设置在不高于于光伏系统最大输出电流的70%的位置。

本发明所述的光伏提水系统的电动机可以为直流电动机，包括串联直流电动机、永磁直流电动机、并厉直流电动机或无刷永磁直流电动机。也可以采用交流电动机，包括异步电动机或同步电动机。

蓄电池可以将光伏组件的输出电压稳定在其最大功率点电压附近，蓄电池提供的能量储备确保了电动机和水泵一致保持最佳工作状态。蓄电池的作用是讲太阳能电池从太阳辐射转换来的直流电转换成化学能储存起来，使用时再将化学能转换成电能释放出来。本发明所述的光伏提水系统还包括与太阳能电池板构成的光伏阵列连接的蓄电池，包括铅酸蓄电池和/或镍镉蓄电池，该蓄电池同时与功率调节电路连接，用于在光伏阵列输出功率不足时为电动机提供补充电源。还包括防止蓄电池过充的电压调节装置。

当采用交流电动机时，交流电动机还连接有逆变器。逆变器是将太阳能电池所产生的直流电能转换成交流电能的转换装置，使转换后的交流电的电压、频率与交流电动机需要的电压、频率相一致。

本发明的结构和安装方法已经参考示意性工艺图进行了说明和解释。基于上面的描述，附加的变型和修改对本领域普通技术人员来说是显而易见的，均落入本申请的保护范围之内，并且本发明的保护范围是由所附的权利要求来确定的。

Claims (9)

1.一种光伏提水系统，其特征在于，包括由太阳能电池板构成的光伏阵列，与该光伏阵列连接的太阳跟踪系统，该太阳跟踪系统控制该光伏阵列时刻对准太阳的方位；该光伏阵列通过功率调节电路与电动机连接；该功率调节电路通过改变负载阻抗来调节太阳能电池板构成的光伏阵列的输出，在太阳光照强度减弱时，该功率调节电路将光伏阵列提供的多余电压转换成电流；控制系统分别与功率调节电路和电动机电连接，用于向功率调节电路发送控制信号，并控制电动机的启动、关闭和转速；电动机与水泵连接；水泵向蓄水系统供水；蓄水系统与供水系统通过供水管道连接；

所述的功率调节电路包括与太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压的正极串联连接的电阻和电感，该电感一端与电阻连接，另一端与晶体管的集电极连接，晶体管的发射极与电枢电阻的一端连接，电枢电阻的另一端与电枢电感的一端连接，电枢电感的另一端与电动机连接，电动机的另一端与太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压的负极连接；还包括电容器，该电容器一端连接在电感与晶体管的集电极之间，另一端连接太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压的负极；还包括二极管，该二极管的正极连接在晶体管的发射极，该二极管的负极连接到太阳能电池板构成的光伏阵列的输出电压的负极；晶体管的发射极和基极之间连接有信号控制电路，该信号控制电路从控制系统接收控制信号，并根据该控制信号向晶体管的基极输出开/关控制信号。

2.如权利要求1所述的光伏提水系统，其特征在于，该水泵是离心泵和/或容积泵。

3.如权利要求2所述的光伏提水系统，其特征在于，该离心泵设置在水面以下，电动机设置在水面以上，电动机通过驱动轴与离心泵连接。

4.如权利要求2所述的光伏提水系统，其特征在于，该容积泵的临界电流不高于光伏阵列的最大输出电流的70%。

5.如权利要求2所述的光伏提水系统，其特征在于，该电动机为直流电动机，包括永磁直流电动机和并励直流电动机。

6.如权利要求2所述的光伏提水系统，其特征在于，所述的电动机为交流电动机，包括异步电动机或同步电动机。

7.如权利要求4所述的光伏提水系统，其特征在于，还包括与太阳能电池板构成的光伏阵列连接的蓄电池，包括铅酸蓄电池和/或镍镉蓄电池，该蓄电池同时与功率调节电路连接，用于在光伏阵列输出功率不足时为电动机提供补充电源。

8.如权利要求7所述的光伏提水系统，其特征在于，还包括防止蓄电池过充的电压调节装置。

9.如权利要求6所述的光伏提水系统，其特征在于，所述的交流电动机还连接有逆变器