CN202091161U - 集中控制式太阳能光伏水泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集中控制式太阳能光伏水泵系统。系统由太阳能板、弱功率检测器、自动充电检测器、蓄电池、集中式控制器、水位检测器、光伏水泵驱动器、光伏水泵组成，弱功率检测器连接集中式控制器和太阳能板、光伏水泵驱动器，蓄电池、自动充电检测器连接太阳能板与集中式控制器，对蓄水水塔和水井的水位安装水位检测器，光伏水泵驱动器连接光伏水泵和太阳能板、弱功率检测器、自动充电检测器及蓄电池、集中式控制器，其主要特征是：装置配备集中式控制器。装置采用直流变频技术和最大功率点跟踪技术，可使太阳能最高效转化为电能，带动电机驱动光伏水泵打水。

Description

集中控制式太阳能光伏水泵系统

所属技术领域

本实用新型属于太阳能光伏水泵技术领域，涉及一种可使太阳能最高效转化为电能的集中控制式太阳能光伏水泵系统。

背景技术

当今，随着常规能源如石油、煤炭等消耗量的大量增加，日益恶化的生态环境迫使世界各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到了人类的重视，而这其中，太阳能无疑处于最突出的地位。现在，我国大西北、西藏和内蒙古等远离电网的偏远地区，很多人喝不到干净的饮用水，而这些地区同时又是太阳能资源非常丰富的地区，因此，在这些地区发展太阳能光伏水泵技术具有明显的社会效益和经济效益。

太阳能光伏水泵系统是一种利用太阳能的日照能量转化成电能，驱动电机带动光伏水泵抽水的装置。传统太阳能光伏水泵系统主要由太阳能板、功率检测电路、PWM调制电路、电机控制电路、水位检测电路、处理器等组成。装置中，太阳能板的太阳电池价格较高，在整个装置成本中所与份额较大，因此，在太阳电池容量一定的情况下，尽可能提高太阳能板的效率对提高整个装置的性能价格比具有非常重要的经济意义。为了提高太阳能板的效率，在太阳电池效率没有根本性突破的条件下，一个有效的方法就是采用太阳电池的最大功率跟踪技术。

目前，传统太阳能光伏水泵系统的主要缺陷在于：一是对驱动水泵的电机没有采用直流变频技术进行软起动，造成电机起动电流过大，特别是在太阳能输出功率不足的时候，往往致使电机频繁起动，有时导致电机不能正常工作，影响水泵的运行；二是对太阳能板没有采用最大功率跟踪技术(MPPT方式)，致使太阳能不能得到充分利用，特别是在太阳能能量不足时，由于太阳能利用率低，甚至不能使蓄电池正常充电，致使无法对电机正常供电，导致光伏水泵无法正常运行。

发明内容

本实用新型的目的是针对传统太阳能光伏水泵系统，所存在的问题和不足之处，而提供一种外环监控太阳能板端电压、内环采用直流变频技术起动电机驱动水泵的方法，使装置的工作状态处于最大功率点的最优化状态、太阳能最高效转化为电能的集中控制式太阳能光伏水泵系统。

本实用新型的技术解决方案是：一种集中控制式太阳能光伏水泵系统，主要由太阳能板、弱功率检测器、自动充电检测器、蓄电池、集中式控制器、水位检测器、光伏水泵驱动器、光伏水泵等器件组成，弱功率检测器连接集中式控制器和太阳能板、光伏水泵驱动器，蓄电池、自动充电检测器连接太阳能板与集中式控制器，对蓄水水塔和水井的水位检测安装了水位检测器，光伏水泵驱动器连接光伏水泵和太阳能板、弱功率检测器、自动充电检测器及蓄电池、集中式控制器，其主要特征是：装置配备集中式控制器。

本实用新型技术解决方案中所述的集中式控制器，系本实用新型装置中的核心器件，其控制电路是以Silicon公司生产的新一代单片机C8051F330为控制核心构成的全数字式智能控制电路。该器件是本实用新型装置的一种集中式控制器件，可集中控制若干个器件，其通讯接口端子主要可与5种器件相连接：一是连接太阳能板、光伏水泵驱动器的弱功率检测器。该器件通过弱功率检测器实现对太阳能板功率实时监控，当判断太阳能板所输出的功率满足光伏水泵所需要的功率时，集中式控制器发出信号，使光伏水泵驱动器控制光伏水泵开始工作；二是连接太阳能板的自动充电检测器。该器件可根据太阳能板的输出能量及负载电机所需能量的大小，自动判断是否为蓄电池充放电，从而提高装置的工作效率；三是连接蓄水塔水位检测器。该器件可根据蓄水水塔水位的高低发出信号，向光伏水泵驱动器发出起动或停止光伏水泵运行的指令；四是连接水井水位监测探头的水井水位检测器。该器件可根据水井水位高、低位监测探头发出信号，向光伏水泵驱动器发出起动或停止光伏水泵运行的指令；五是连接太阳能板、弱功率检测器、自动充电检测器及蓄电池、光伏水泵的光伏水泵驱动器。该器件可根据弱功率检测器、自动充电检测器、水井水位检测器、蓄水水塔水位检测器发出的信号，对光伏水泵发出运作指令。本实用新型装置的器件上电以后，首先进行电初始化、然后通过检测蓄水水塔水位检测器、水井水位检测器、弱功率检测器判断装置的开机状态，如果满足开机条件，集中式控制器通过外环控制太阳能板的端电压，开始进行最大功率点控制算法、识别堵转、过流、过载等状态，其最大功率点控制算法为，太阳能板的最大功率点工作电压一般在它的开路电压的70％处，将开路电压的70％作为第一次电压跟踪点，即此时增加电机占空比，占空比的变化会引起电机的转速或频率升高，如果频率升高，外环电压没有下降，则表示增加电机占空比方向正确，太阳电池提供的功率增加，继续朝这个方向变化；如果太阳能板的端电压下降，则表示增加电机占空比方向错误，表示太阳电池提供的功率减小，则需要向另一个方向变化。该器件硬件保护动作很快，堵转、过流、过载等状态保护功能主要由硬件电路完成。该器件中的电机控制方式，采用软件程序控制方案，根据判断电机转子的端电压，来判断电机的转速，同时对电机进行变频控制。软件设计实现以下的功能：(1)捕捉反电势过零点信号，通过计算处理，得出正确的换相点，进行换相；(2)根据光伏水泵电机转速和太阳能板端电压的情况，采用直流变频技术，通过外环控制器太阳能端电压，内环通过控制电机转速的方法，以实现太阳电池阵列的最大功率跟踪；(3)实现各种监控和软件保护功能等等。总之，该器件使装置通过太阳能板将太阳能转换为直流电，然后通过光伏水泵驱动器驱动电机，从而带动光伏水泵打水，集中式控制器根据弱功率检测器的检测情况，通过采用外环控制太阳能端电压、内环控制电机转速的控制优化算法，使装置工作于太阳能输出最大功率点，在同等的电流和电压条件下，这种控制算法可使装置效率提高10％至15％，同时集中式控制器根据自动充电检测器的检测信息，在日照强烈时将部分能量储存在蓄电池中，而在日照较弱时，蓄电池释放出能量，从而提高装置的效率。

本实用新型技术解决方案中所述的自动充电检测器，采用单片机中断控制技术以及二极管、MOS管来实现。该器件根据太阳能板的输出能量以及负载电机所需能量的大小，自动判断是否为蓄电池进行充电。

本实用新型技术解决方案中所述的光伏水泵，是一种直流无刷电机与水泵组装为一体的直流无刷电机太阳能光伏水泵，其电机为直流无刷电机，通过判断电机转子位置控制电机旋转。目前电机位置检测有多种方式，第一类为有传感器方式，该方式是采用转子位置传感器直接测量电机转子位置，确定定子换相时间，这在控制上无疑是最方便的，它只要求位置传感器安装的准确性和可靠性。该方式的特点是控制简单，电机起动力矩较大。第二类为无传感器方式，常用的方法有反电势法、定子三次谐波法、电流通路监视法等。本装置采用的是反电势检测法，该方式是利用电机定子U，V，W三相的端电压检测电机转子的位置，通过识别端电压电机转子所反映出的旋转电动势信号，确定换相时刻，该方式的特点是装置坚固可靠，制造安装方便。对于光伏水泵系统而言，由于电机的负载为水泵，由水泵的工作特性可知，水泵的负载力矩与转速的平方成正比，转速越低，负载阻力矩越小。因此，水泵电机所需要的起始力矩很小，只要克服摩擦力矩既可，所以可以解决现在太阳能光伏水泵所带来的启动电流过大的问题，无位置传感器换相方式的特点非常适合光伏水泵系统对电机驱动控制的要求，本实用新型采用无传感器方式。

本实用新型技术解决方案中所述弱功率检测器，其功能分为：(1)低日照保护。该低日照保护主要是保护启动时刻的低日照保护和运行过程中低日照保护。启动时刻主要是检测太阳能电池的输出功率，当太阳能的输出功率低于一定的阀值，则装置不开机；运行时刻保护同样也是检测太阳能电池输出功率，功率太小，光伏水泵无法扬水，此时也应保护；(2)开机欠压保护。该开机欠压保护主要针对蓄电池供电时，当蓄电池电压过低时，开机会造成蓄电池过放而损坏蓄电池；运行过程中如果蓄电池电压降到一定的阀值亦停机，避免蓄电池过放电。

本实用新型技术解决方案中所述的水位检测器，分为水井水位检测和蓄水水塔水位检测。在装置连续工作，水井水位不断下降，当水位低于附图(1)的水井低水位监测探头的高度时，水泵不再抽水，该器件采用简单、巧妙的硬件电路实现抽干保护，该硬件电路采用带有一个滞环回路的水位落差，当水位低于附图(1)的低水位监测探头高度时，电机停止工作，当水位高于附图(1)的水井高水位监测探头的高度时，电机即恢复正常工作，如果没有这个滞环，当水位上下波动时，必将造成电机的频繁开关。

本实用新型的有益效果是：较于传统光伏水泵的硬件启动方式，本装置软件控制启动采用直流变频技术，同时由于直流无刷电机所需要的起始力矩很小，只要克服摩擦力矩既可，因此本装置的光伏水泵启动平缓，启动电流更小，克服了传统电机启动电流过大而导致电机启动频繁，不能正常工作的问题。本装置采用外环控制太阳能端电压，内环通过控制电机转速的控制优化算法，使装置工作于太阳能输出最大功率点，在同等的电流和电压条件下，这种控制算法可使装置效率提高10％至15％。本装置通过检测太阳能的强弱，可以防止光伏水泵在太阳能较弱时频繁启动，起到保护和延长光伏水泵寿命的作用。

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1、太阳能板；2、弱功率检测器；3、自动充电检测器；4、蓄电池；5、集中式控制器；6、蓄水水塔水位检测器；7、蓄水水塔；8、蓄水水塔水满探头正极；9、蓄水水塔水满探头负极；10、水井水位检测器；11、光伏水泵驱动器；12、水井高水位监测探头；13、水井水位监测公共端；14、水井低水位监测探头；15、水井；16、光伏水泵。

具体实施方式

本实用新型实施例如图1所示。装置主要由太阳能板(1)、弱功率检测器(2)、自动充电检测器(3)、蓄电池(4)、集中式控制器(5)、蓄水水塔水位检测器(6)、蓄水水塔(7)、蓄水水塔水满探头正极(8)、蓄水水塔水满探头负极(9)、水井水位检测器(10)、光伏水泵驱动器(11)、水井高水位监测探头(12)、水井水位监测公共端(13)、水井低水位监测探头(14)、水井(15)、光伏水泵(16)组成。太阳能板(1)直接与弱功率检测器(2)相连，蓄电池(4)和自动充电检测器(3)连接在太阳能板(1)与集中式控制器(5)之间。蓄水水塔水位检测器(6)安装在蓄水水塔(7)和集中式控制器(5)之间。水井水位检测器(10)安装在水井(15)和集中式控制器(5)之间。

本装置通过太阳能板(1)将太阳能转换为直流电，然后通过集中式控制器(5)发出运作指令，控制光伏水泵驱动器(11)驱动光伏水泵(16)打水，当水井水位检测器(10)检测到水井(15)中的水位低于水井低水位监测探头(14)时，集中式控制器(5)自动控制光伏水泵驱动器(11)“断开”，光伏水泵(16)停止工作，直至水井(15)中的水位高于水井高水位监测探头(12)时，光伏水泵驱动器(11)自动控制光伏水泵(16)重新运行。当蓄水水塔水位检测器(6)检测到蓄水水塔(7)水位低，代于蓄水水塔水满探头负极(9)时，集中式控制器(5)控制光伏水泵驱动器(11)接通，使光伏水泵(16)自动运行，直至水位高于蓄水水塔水满探头正极(8)时，停止运行。集中式控制器(5)通过弱功率检测器(2)实现对太阳能板(1)的功率进行实时监控，当判断太阳能板(1)所输出的功率满足光伏水泵(16)所需要的功率时，集中式控制器(5)发出信号使光伏水泵驱动器(11)驱动光伏水泵(16)开始工作。当光伏水泵(16)开始工作后，自动充电检测器(3)可自动判断是否为蓄电池(4)充放电，从而来提高装置的效率。

装置上电以后，首先进行电初始化、然后集中式控制器(5)通过检测蓄水水塔水位检测器(6)、水井水位检测器(10)、弱功率检测器(2)判断装置是否工作，如果满足开机条件，集中式控制器(5)通过外环控制太阳能板(1)的端电压，开始进行最大功率点控制算法、识别堵转、过流、过载等状态，其最大功率点控制算法为，太阳能板的最大功率点工作电压一般在它的开路电压的70％处，将开路电压的70％作为第一次电压跟踪点，即此时增加电机占空比，占空比的变化会引起电机的转速或频率是升高，如果频率升高，外环电压没有下降，则表示增加电机占空比方向正确，太阳电池提供的功率增加，继续朝这个方向变化；如果太阳能板的端电压下降，则表示增加电机占空比方向错误，表示太阳电池提供的功率减小，则需要向另一个方向变化。该器件硬件保护动作很快，所以堵转、过流、过载等状态保护功能主要由硬件电路完成。总之，本装置通过太阳能板(1)将太阳能转换为直流电，然后通过光伏水泵驱动器(11)驱动电机，从而带动光伏水泵(16)打水，集中式控制器(5)根据弱功率检测器(2)的检测情况，通过采用外环控制太阳能端电压，内环通过控制电机转速的控制优化算法，使装置工作于太阳能输出最大功率点，在同等的电流和电压条件下，这种控制算法可使装置效率提高10％至15％，同时集中式控制器(5)根据自动充电检测器(3)的检测情况，在日照强烈的时候将部分能量储存在蓄电池(4)中，而在日照较弱时蓄电池(4)释放出能量，从而来提高装置的效率。

Claims (5)

1.一种集中控制式太阳能光伏水泵系统，其特征是整个装置由太阳能板、弱功率检测器、自动充电检测器、蓄电池、集中式控制器、水位检测器、光伏水泵驱动器、光伏水泵组成，弱功率检测器连接集中式控制器和太阳能板、光伏水泵驱动器，蓄电池、自动充电检测器连接太阳能板与集中式控制器，对蓄水水塔和水井的水位检测安装了水位检测器，光伏水泵驱动器连接光伏水泵和太阳能板、弱功率检测器、自动充电检测器及蓄电池、集中式控制器。

2.根据权利要求1所述的集中控制式太阳能光伏水泵系统，其特征在于：所述的集中式控制器，其控制电路是全数字式智能控制电路，通讯接口端子可与弱功率检测器、自动充电检测器、蓄水塔水位检测器、水井水位检测器、光伏水泵驱动器的接口相连接，可对这些器件进行集中监控。

3.根据权利要求1所述的集中控制式太阳能光伏水泵系统，其特征在于：所述的光伏水泵是一种电机与水泵组装为一体的直流无刷电机太阳能光伏水泵，其电机为直流无刷电机，采用无位置传感器换相方式，判断电机转子位置控制电机旋转。

4.根据权利要求1所述的集中控制式太阳能光伏水泵系统，其特征在于：所述的弱功率检测器，设置了低日照保护、开机欠压保护。

5.根据权利要求1所述的集中控制式太阳能光伏水泵系统，其特征在于：所述的水位检测器包括水井水位检测器和蓄水水塔水位检测器，水井水位检测器由水井高水位监测探头、水井水位监测公共端、水井低水位监测探头组成，蓄水水塔水位检测器由蓄水水塔水满探头正极、蓄水水塔水满探头负极组成。 

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