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1、-光伏水泵系统设计毕业设计(论文)-第 30 页 毕业设计（论文） 题目 光伏水泵系统设计 摘要地球环境由于燃烧大量矿物能源已经产生了明显的变化，人类的生存环境正在逐渐恶化。减少传统能源的消耗、减少温室气体的排放和保护环境已经迫在眉睫。太阳能是一种无污染、有极强的经济性的新能源。由于太阳能能有效的解决资源和环境问题，其应用和普及越来越受到人们的重视。光伏水泵技术是太阳能技术的一部分，由于其清洁无污染，不消耗燃料的特点，在人民生活供水和干旱地区农田灌溉方面有广阔的应用前景。光伏水泵系统是直接利用太阳电池光生伏特效应发电，通过光伏阵列、控制器、电机、水泵等控制及执行环节来提水的系统。本文论文的主要
2、工作如下：(1) 了解光伏发电的基本原理，分析光伏水泵系统的原理与特性 (2) 对光伏阵列进行建模与分析 (3) 对最大功率跟踪方法进行详细的叙述，判断其优缺点，并利用MATLAB进行建模与仿真(4) 对光伏水泵系统进行分析和选型(5) 研究无刷直流电机的PWM控制、预定位起动方式。 关键词： 光伏水泵系统 最大功率跟踪 无刷直流电机 脉冲宽度调制(PWM)The design of solar Photovoltaic pump system AbstractDue to the burning of fossil energy，the earths environment has prod
3、uced significant changes. The environment of human being is gradually deteriorated. Reducing tradition energy consumption，greenhouse gas emissions and protecting the environment have been imminent. Solar energy is a kind of new energy which has characteristic of no pollution and economy. Because of
4、solar power can effectively solve the problem of resources and environment，people more and more get the attention of their application and popularize. Photovoltaic pump technology is a part of the solar technology. Owing to the feature of no pollution and no fuel consumption. Solar photovoltaic pump
5、 system has broad application prospects in the field of peoples life for irrigation water and dry areas.The photovoltaic pump system uses photovoltaic panels which produce electricity directly from sunlight using silicon ceil and drive the pump through a series of new technologies such as photovolta
6、ic array，control units，electronics， motors and different modern devices to bring up the water. This topic research of photovoltaic pump system drove by Brushless Direct Current Motor (BLDC).The main content in this paper is:(1)Learning the basic principles of photovoltaic energy generation. Analys-i
7、ng the principles and the characteristics of photovoltaic pump system.(2) Modeling and analysing the characteristics for photovoltaic array.(3) Accounting of the maximum power point tracking in detail and judging theirs advantages and disadvantages .Using MATLAB software to modeling and simulation.(
8、4) Analysis and selection the photovoltaic water pump system(5) Studying the brushless dc motor PWM control and Pre-setting starting The key words Photovoltaic pump system maximum power point trackingBrushless Direct Current Motor Pulse Width Modulation(PWM) 目录 第一章 绪论1 1.1 太阳能光伏发电发展现状1 1.2 光伏水泵系统的概况
9、1 1.3 本论文的主要研究内容2第二章 光伏水泵系统的原理3 2.1 光伏水泵各组成部件3 2.2 太阳能电池阵列4 2.2.1 太阳电池分类4 2.2.2 太阳电池工作原理5 2.2.3 太阳电池的等效电路5 2.2.4 太阳电池的特性曲线6 2.2.5 太阳能电池的输出特性6 2.3 光伏水泵系统的最大功率跟踪控制(MPPT)8 2.3.1 阵列的构成和搭建9 2.3.2 最大功率跟踪的意义及其实现方法10 2.4 光伏水泵系统电机研究12 2.4.1 电机的选择12 2.4.2 无刷直流电机结构13 2.5 光伏水泵13 2.5.1 光伏水泵的构成13 2.5.2 光伏水泵系统的配置估
10、算16 2.6 光伏水泵系统的选型17 2.6.1 光伏水泵系统特点18 2.6.2 系统设计方案及报价19 2.6.3 设备选型19第三章 太阳能光伏水泵系统的控制23 3.1 光伏阵列控制的硬件电路23 3.2 无刷直流电机控制策略26 3.2.1 无位置传感器的无刷直流电机的转子位置检测26 3.2.2 无位置传感器的无刷直流电机的起动27 3.2.3 无刷直流电机的 PWM 控制策略27第四章 光伏水泵系统的仿真29 4.1 太阳能光伏阵列的仿真29 4.2 基于扰动观察法的光伏阵列仿真31第五章 结束语与展望34 5.1 总结及有待完善的问题34 5.2 对未来的展望34参考文献：3
11、5致 谢37第一章 绪论 21世纪以来，能源与环境已经成为了人类面临的两大难题。虽然目前世界各国还是以石油、煤炭天然气等原材料为主要能源，但是这必将导致环境的污染以及资源的日益枯竭。虽然中国的总体资源比较丰富，尤其是煤矿资源。目前能源产量高居世界第二，但由于人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。传统能源严重污染生态环境，对子孙后代危害巨大。因此走可持续发展战略，大力发展可再生能源，已经成为人们的共识。 太阳能是一种非常理想的洁净无污染的新能源，取之不尽、用之不竭，不会破坏生态环境，有明显的经济价值和极大地市场前景。 我国太阳能资源丰富。全国各地太阳年辐射总量为3340-8400MJ
12、/。太阳能资源分布有明显的地域性，宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部等地是中国太阳能资源最丰富的地区。在我国的大西北，太阳能具有十分巨大的开发潜力。1.1 太阳能光伏发电发展现状光伏发电由于具有随处可用，运行成本低，无污染，无噪音，不产生废弃物的特点在世界各国的支持以及相关政策的激励之下，正在迅猛发展。从2001到2008年期间，每年的增长速率高达50.2%。其中2007到2008年，光伏安装量更是翻了一番，从3.34 GW上升至6.85GW。德国、美国、日本三国家是主要的利用太阳能的国家，西班牙紧随其后。图1.1 2008年全球光伏发电市场份额 图1.2 2001-2008年
13、中国光伏系统安装及增速 尽管2009年世界经历了金融危机，光伏产业依然没有停下脚步。欧洲地区德国独占鳌头，光伏总安装量从1.8GW提高到3.8GW。意大利紧随其后，其余欧洲国家也迅猛发展。美国日本同样发展迅速，在世界光伏产业中占有较高的比重。但是与此同时西班牙的风光不再。EPIA发布了2010-2014年的光伏预测报告中，欧洲仍占主导，德国蝉联第一，日本和美国将主导欧洲以外的市场，中国和印度也将在未来五年中发展成潜力可观的潜力市场，其中中国将有望迅速成为亚洲以及世界的主要市场。2014年全球年光伏安装量将达到30GW，到2030年，有超过25亿人口可能从太阳能中受益。光伏发电六元一度的价格和传
14、统电价相比完全没有竞争力，因此在2009年轻我国的光伏发电市场比较低迷，装机量非常低下。2009年金融危机时期，我国政府出台了国内光伏补贴计划，中国光伏企业大量扩展产能，使中国的光伏产业得到了极大的发展。2011年，国家对光伏上网电价进行补贴，十二五规划又对光伏产业增大投入，使中国光伏产品成功冲击国外市场。但是好景不长，欧盟和美国为保护自身利益，对中国的光伏产品征收重税，进行贸易调查，使中国光伏产品危机四伏。1.2 光伏水泵系统的概况光伏水泵系统是一种以太阳能为能源进行提水灌溉的系统。太阳能资源无穷无尽，与传统能源相比无污染，对环境影响较小，对生态保护能力较强。在沙尘天气日益横行的中国西北部，
15、光伏水泵系统能有效的改善当地的生态环境，同时也能有效的解决中国缺水地区居民的饮水问题。因此在中国西部及西北地区，光伏水泵系统受到了广大农牧民的特别青睐。同时在中国西部及西北地区阳光资深却极为丰富，而且有相当大的地区同时具有丰富的地下水资，光伏水泵系统因此也成了解决问题的最好选择。近几年来，在我国西部地区建立了几个光伏水泵系统实验示范点，实际运行结果表明光伏水泵系统的技术是可行的。目前光伏水泵技术已经达到了可以批量生产的程度，其技术水平己经可以和国外发达国家的产品水平相媲美。光伏水泵系统给这些地区带来巨大的经济和生态效益，为西部地区发展新农村战略提供一条有效的途径。近几年来，光伏水泵以及在全世界
16、范围内得到极大的发展和应用。国内外大量的实验以及应用表明，光伏水泵技术已经走向成熟，能提供巨大的经济和生态效益，对农业灌溉及景观用水有极大的适用空间。1.3 本论文的主要研究内容研究的内容：(1) 了解太阳能光伏发电及光伏水泵的历史和发展前沿。(2) 了解光伏发电的原理及阵列的组成。(3) 熟悉控制器及其控制原理。(4) 掌握光伏水泵系统中光伏阵列的最大功率点的跟踪内容。(5) 掌握光伏水泵系统中选型。拟解决的主要问题(1) 对太阳能光伏水泵系统的整体部分进行了解。(2) 对太阳能光伏阵列的MATLAB建模与仿真。(3) 对光伏阵列最大功率跟踪点（MPPT）建模与仿真。研究方法、步骤及措施：(
17、1) 查阅相关资料、收集光伏水泵的相关文献、熟悉太阳能光伏水泵系统的组成及工作原理。(2) 学习MATLAB的编程方法及仿真工具的实用。(3) 基于MATLAB的光伏阵列模型并进行仿真。(4) 基于MATLAB的最大功率跟踪控制算法模型并进行仿真。(5) 对光伏水泵进行研究并进行选型。第二章 光伏水泵系统的原理光伏水泵系统也叫做光伏扬水系统，原理是利用半导体吸收太阳日照辐射能量，将其转化为电能，为系统提供动力电源，然后通过电机驱动水泵提水。可以说光伏水泵系统是一个集合了电力电子、电机、水机、计算机控制和太阳能的采集、变换等多个学科的最新技术的一个比较典型的光能、机、电一体化系统，是我国新能源产
18、业的重点发展方向。2.1 光伏水泵各组成部件图2.1 光伏水泵系统工作原理简图 1.光伏阵列光伏阵列是由多块太阳能电池组件串并联成阵列，阵列的容量可达数百峰瓦甚至数个兆峰瓦(MW)。光伏阵列以由单晶硅、多晶硅、带状晶硅等太阳能电池组成。由于太阳能电池由大量的半导体器件构成，所以光伏阵列的温度特性和伏安特性会出现非线性的情况。2控制器在光伏阵列存在非线性的电源特性的情况下，控制器的作用是让光伏阵列不管在什么温度和日照下都能达到最大功率输出，该技术也称为最大功率点跟踪控制(Maximum Power Point Tracking)。3电机电机的选择根据现实需求及系统而定，对于1KW功率的光伏水泵系
19、统，由于功率较小，多采用无刷直流电机驱动；考虑到太阳早晚光照不同导致系统负载率早晚变化较大以及光伏阵列的非线性，电机必须使其全日、全年的总平均效率值保持在较高的状态。 4水泵 水泵的选择要充分考虑功率与扬程流量的关系。在功率不大的系统中，小流量高扬程应选择容积水泵；大流量高扬程潜水电泵更合适；大流量低扬程可以选用自吸泵。5储水设施 储水设施就是将水泵提取的地下水储存起来，作为备用。在干旱的时候可以使用，在水量充足的时候进行存储以备不时之需。2.2 太阳能电池阵列2.2.1 太阳电池分类 太阳能电池的分类方法按结构分类、按使用状态分类、按用途分类、按基体材料分类、其分类情况如图2.2所示图2.2
20、 太阳电池的分类2.2.2 太阳电池工作原理 太阳能能量转换的基础半导体p-n结是的光生伏特效应（photovoltaic effect），当光线照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态。太阳电池可利用的电子主要是价带电子。当光线照射到半导体光伏器件上时，在器件内会产生光生电子空穴对，在电池内建电场作用下会光生电子和空穴分离，从而产生光生电压。 图2.3 光生伏特效应原理示意图2.2.3太阳电池的等效电路理想等效电路：可以把太阳能电池当作是一理想的、能稳定地产生光电流IL的电流源 (只要光源稳定）图2.4为其理想的等效电路。它表示电池受光照射时产生恒定电流IL的能力。这个
21、等效线路说明，太阳能电池受光照射后产生了一定的光电流IL，其中一部分用来抵消P-N结的结电流ID，另一部分为供给负载的电流， 其负载电压UR、节电流ID、负载电流IR的大小都与负载电阻RL有关。当然RL不是唯一的决定因素。 图2.4 太阳电池单元等效电路图显然，IR的大小为： (2-1)式中 IR为稳定状态下的负载电流；ID为电池PN结中的正向电流；IO为电池PN结在无光照时的反向饱和电流；Ui为结电压，稳定状态时等于负载电压URK为玻耳兹曼常数(J/K)；T为太阳电池的绝对温度；q为电子电荷量()e；IL为电池在光照下产生的光生恒流电流，其值正比于光照强度，与电池温度有关。2.2.4太阳电池
22、的特性曲线 太阳电池特性曲线分为I-V和P-V特性曲线，即光伏电池两端电压和电流的对应关系曲线和两端功率和电压对应关系曲线。I-V曲线具有高度的非线性特征，P-V曲线中，输出功率先上升然后下降，两者都存在着最大功率点的问题。同时也可以看出光伏电池所发功率受多个因素的影响，起决定因素的是太阳能电池板接受的太阳辐射量。因此，光伏电池的输出最大功率点Pmax、短路电流Isc、开路电压Voc等参数也要不断变化，让光伏发电系统进行不断的调整以及优化，使光伏电池工作于最大功率点上。图2.5中，实线为I-V特性曲线，虚线为P-V特性曲线。图2.5 太阳电池的I-V特性曲线2.2.5 太阳能电池的输出特性 下
23、面对影响太阳电池特性的因素一一进行介绍。 1温度 温度会严重影响太阳电池的输出功率，温度升高会使短路电流Isc增大，开路电压Voc下降。如图2.7 (a)所示；温度越高效太阳电池的输出功率越低，如图2.7(b)所示，P-V曲线也得到了相同的结果。太阳日照强度和光伏阵列温度的关系见图2.6。图2.6 太阳日照强度和光伏阵列温度的关系 (a) (b) 图2.7不同温度时的I-V(a) 、P-V (b)特性曲线2日照强度日照强度对光伏阵列的电压值和电流值也造成了极大的影响。图2.8(a)和图2.8(b)为日照强度改变的情况下I-V和P-V的特性曲线。可以看出功率随着日照强度的增大而增大。 (a) (
24、b) 图2.8不同日照强度时的I-V 、P-V 特性曲线图2.11是不同日照下太阳电池I-U曲线。图中的 A，B，C，D点分别为对应于一定日照强度下太阳电池阵列的最大功率点， A，B，C，D 分别为系统工作点。可以看出，系统工作点和最大功率点有着些许的差距，这说明了当前的光伏阵列不能提供最大功率。因此要想办法使系统工作点A，B，C，D和最大功率点 A，B，C，D重合，这就是通常所说的最大功率点跟踪MPPT。 图 2.11 不同日照下太阳电池I-U曲线2.3 光伏水泵系统的最大功率跟踪控制(MPPT)在一定的光照强度和环境温度下光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵
25、列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点（MPP）。因此不断地根据外界不同光照强度、环境温度等特性调整阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点处，叫做最大功率点跟踪（MPPT）技术。最大功率点跟踪的目标是让太阳能电池实时输出最大功率，使其发挥最大效率，是光伏发电系统运行控制中的一项关键技术。2.3.1 阵列的构成和搭建实际使用中，往往一块组件并不能满足所有现场的要求，要把所以把很多片电池单体串联或并联在一起，形成光伏发电系统来满足光伏系统实际电压和电流的需求。串联后的阵列输出电压为各光伏组件输出电压之和，输出电流不变；并联后的阵列输出电流
26、为各光伏组件输出电流之和，输出电压不变。光伏阵列的搭建，一般先串后并。串联数目有一定限制，要根据其最大功率点电压与负载运行电压相匹配的原则来设计，一般是先根据所需电压高低用光伏组件串联构成若干串，再根据所需电容进行并联。图2.12 太阳能电池阵列图2.13 阵列安放的朝向和角度 阵列在搭建过程中，还需要考虑安装的角度和朝向。如果安放角度不合理，阵列的输出功率会降低。阵列安放角度中，主要控制水平方位角p和仰角p。从我国的国情出发，光伏阵列一般朝向正南方或是稍微偏向西，水平方位角多取-5p10。然而阵列的仰角没有精确的计算公式或是公认的标准，实践和人为的经验占主导。多数情况下会辅以适当角度的修正值
27、。2.3.2 最大功率跟踪的意义及其实现方法 1. 最大功率跟踪的意义最大功率跟踪决定了太阳能光伏水泵系统运行效率高低，是整个太阳能光伏水泵系统的核心，可以提高20%-30%的系统效率，同时也能让光伏水泵系统稳定运行。2常见的最大功率跟踪算法 实现最大功率跟踪的方法有很多，比较典型的方法有恒定电压法（CVT）、干扰观测法、电导增量法等。(1) 恒定电压法（Constant Voltage Tracking-CVT）光伏电池在温度一定时，输出特性曲线上得最大功率点的电压值固定，恒定电压法就是根据这一特性，依据实际情况来设定一个恒定运行电压，使系统始终运行在最大功率点处。可以看出，系统只需要对光伏
28、电池的输出端口电压UPV进行采样，并同光伏电池端电压的参考值UPV2进行比较，若输出端口电压同电压指令值不通，则通过控制系统调整光伏电池负载特性，使得调整后光伏电池的输出端口电压等于参考值。(2) 扰动观测法扰动现测法由于实现方法简单，并能够实现实时MPPT控制，控制效果比较理想，在光伏系统中应用中也较为常用。扰动观测法的原理是先让光伏阵列工作在某一参考电压下，检测输出功率，然后在这个工作电压基础之上，加一个正向电压扰动量。若此时检测输出功率增加，则表明光伏阵列最大功率点在当前工作点的右边，可以继续增加正向扰动。若所侧输出功率降低，则最大功率点在当前工作点的左边，应当降低输出电压，在下一控制周
29、期加负向电压扰动，使工作点左移。其控制流程图如图所示。图2.14恒定电压法控制流程图 图2.15扰动观测法控制流程图(3) 功率回授控制法 功率回授控制法原理是一种被动式寻找最大功率法。需采集光伏电池阵列的输出电压值和电流值，然后计算出当前的输出功率，再用上次储存的输出功率P与当前的输出功率P相比较，通过判断比较的结果来控制调整输出电压值。(4)电导增量法电导增量法精度高，它的的原理是对光伏阵列的电压和电流进行采样，然后比较光伏阵列的瞬间电导和电导增量来改变控制信号，是一种常用的MPPT控制方法。该方法主要适用于大气条件变化较快的场合。表2.1各种最大功率跟踪法法的优缺点 方法优点缺点 恒定电
30、压法易实现，控制简单，可靠性高，稳定性好精度差，受外界环境和自身工作状态影响显著 扰动观测法算法简明，容易实现，成本低只能在阵列最大功率点附近振荡运行，导致部分功率损失功率回授控制法计算方便，算法最简单可靠性和稳定性均不佳，在实际应用中较少采用 电导增量法控制效果好，精度高计算量大，对控制系统要求高2.4 光伏水泵系统电机研究光伏阵列的功率和电压直接影响电机的功率，光伏水泵的流量扬程要求被反映到电机上，所以光伏水泵在电机和水泵的搭配方面有着较为严格的要求，往往要进行专门的设计。电机的选择与应用也要充分考虑到最大功率点，使整个系统处于效率最高的状态。2.4.1 电机的选择光伏水泵系统所用驱动电机
31、可分为直流电动机和交流电动机两大类别，即无刷直流电机和三相异步电机。表2.2 电机的类型及优缺点类型优点缺点三相异步电机结构简单、可靠性高、维修工作量小必须通过专用的变频装置、效率低于同等功率直流电机无刷直流电机体积小、重量轻、出力大、调速范围宽、控制相对简单、效率高价格比交流电机稍贵、易磨损 小功率的光伏水泵系统中多采用无刷直流电机，虽然价格比交流电机稍贵、易磨损，但是控制简单而且电池板的价钱较高，此时光伏水泵系统的效率就更为重要。2.4.2 无刷直流电机结构近年来，无刷直流电机(BLDC)在广泛的领域得到了迅猛的发展，同时也得到了人们的一致认同。 如图2.13是典型的直无刷流电机结构示意图
32、。该电机是三相六拍式的无刷直流电机，原理是转子旋转一圈，定子绕组需要换相六次，每个极下换相三次。 图2.16典型的无刷直流电机结构2.5 光伏水泵 光伏水泵抽水灌溉，是用来实现光伏水泵系统功能的最重要的部分。因此水泵的选型要根据地理情况和经济性决定。2.5.1 光伏水泵的构成1. 太阳能抽水机泵选择水泵根据构造不同可以分为两类：离心泵和容积式。类型特点离心式水泵输出与泵的转速成正比，多用于从深井中和钻孔中抽水容积式水泵其消耗功率的大小是与水泵的实际流量成正比的，水泵的流量会随扬程的增加而减小，用在扬程小、流量大的系统中 表2.3 水泵的分类 考虑到本课题要求低扬程、高流量，所以本系统采用离心式
33、潜水泵。 2. 水泵的选择 对于光伏水泵系统，水泵的选择十分重要，选取不慎不但会使系统效率降低，还会增大投入，浪费能源，降低经济效益。合理选泵有以下三个方面：1、流量和扬程的要与水泵的选择相匹配；2、体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率；3、不易损坏，寿命长。 3. 光伏水泵的工作参数表2.4光伏水泵的特性来分主要的5个基本量扬程泵的叶轮传给单位重量液体的总能量用符号H表示，单位为米(m)流量分成体积流量和质量流量用符号Q表示，其单位以L/S(升/秒)、/s (立方米/秒)、/h(立方米/时)功率功率包括有效功率Pe和轴功率两Pa种效率水泵的效率被定义为有效功率Pe与轴功率
34、Pa的比值转速水泵内叶轮每分钟的转数，转速为额定转速 Pe定义为光伏水泵的净功率(kW)，根据流量和扬程计算可得： (2.2)式中，r为液体的材料系数。轴功率Pa，光伏水泵去除损耗后水泵轴上的有效功率。其定义为 (2.3) 4光伏水泵的扬程、功率和效率的关系 因为太阳能光伏电源系统是非线性的，受到日照强度及气候还有随机事件的影响。如何能让系统处于较高的效率状态下，就显得十分重要了。同时光伏系统的优劣不止要考虑光伏方阵最佳功率点的跟踪，还要考虑到功率匹配和扬程的作用。 如图217所示，恒转速运行时光伏水泵性能曲线，其中H表示水泵的扬程，P表示水泵的功率，表示水泵的效率。由图2.17可知，当流量达
35、到一定的数值时，为最大，其对应的值即为额定值。当所选择的水泵Q和H数值接近额定值时，水泵的效率基本可以稳定在85%-90%之间。对于离心泵而言，功率将随流量的增大而增大，当流量为零时，功率达到最小值。 对于一般设计的水泵系统，确定其扬程后，其效率必定会有其最大值，称为最大瞬时效率，如图2.18所示。但最大瞬时效率不是全日效率，并不能直接反映光伏水泵系统整体性能的好坏。 图2.17 光伏水泵性能曲线 图2.18 水泵系统效率随输入功率的变化曲线 要实现最大全日效率，必须要让光伏水泵系统实现功率跟踪，让每个时刻处于最大效率状态。在这种情况下，光伏水泵系统实现了最佳功率匹配。5.光伏水泵流量、扬程与
36、系统功率的匹配光伏水泵系统效率算公式：(2.4) 上式中W(t)为水泵输出功率与时间的函数，S(t)为日照强度与时间的函数。s为平均系统效率。根据时间的长短s可以代表小时、日、月、甚至年平均系统效率。2.5.2 光伏水泵系统的配置估算对于一般用户来说，所在地理位置的所需扬程，日用水量，年日照时数是已知的，但是相应的功率、电压、电流值是难以计算的。在实际生活中可以用以下方法进行估算。 1. 日照强度与日照时间的计算图2.19中：L(t)为日照强度与时间的函数，Lm为一天中日照强度最大值，Te为等效日照时间，A为光伏阵列的面积。一天中日照强度最大值Lm与等效日照时间Te的乘积为一天光伏阵列吸收到的
37、总能量图2.19峰值日射小时数的折算变化曲线图由上图可知： (2.5)2. 流量的估算设用户每天的用水总量为G(m3)，则每小时流量Q为 (2.6)3. 扬程估算 扬程估算计算比较难，水泵管道的损失系数和管道的直径、材料有关，每个厂商的损失系数都不相同，所以多采用考察地理情况和经验判断的方法。 4. 电机输出功率的估算：电机的输出功率P2计算公式： (2.7）p为水泵的效率由厂家提供。5. 阵列组件的估算阵列峰瓦功率Pu的估算： (2.8)式中：c为逆变器的效率，一般为0.9，m为电机的效率，0.8为考虑阵列衰减，灰尘等因素影响而引入的系数。2.6 光伏水泵系统的选型整个系统由太阳电池板、直流
38、控制器和水泵系统三部份组成。太阳电池阵列由多块太阳电池组件串并联而成，吸收日照辐射能量，将其转化为电能，为整个系统提供动力电源。直流控制器对系统的运行实施控制和调节，驱动水泵，并根据日照强度的变化实时地调节输出频率，实现最大功率点跟踪，最大限度地利用太阳能。图2.20 光伏水泵系统的理论图图2.21 光伏水泵系统的实际图表2.4 南宁的地理位置情况城市地名数据日辐射量kJ/m2斜面日均辐射量kJ/m峰值日照时数h修正系数Kop纬度最佳倾角年平均日照时间h全年日照时间h南宁12515127344.6100.823122.82+54.34h1584.70南宁的日用水流量大约为500m3/Day，本
39、论文用水泵的扬程为20m左右2.6.1 光伏水泵系统特点 l 全自动运行，无需人工值守。 l 适配的水泵类型广。l 输入电压范围广，适配多种光伏组件。l 模块化设计，方便维护l 使用进口元器件，安全可靠。l 可全天候运行 l 个性化的解决方案 主要应用范围： 沙漠治理 海水淡化 农业灌溉 生活用水 林业浇灌 城市水景 景观喷泉 草原畜牧 海岛供水 水处理工程 南宁的具体情况选择型的光伏水泵系统，扬程24m，流量500m3/Day2.6.2 系统设计方案及报价 水泵功率1000W，每天工作60分钟，可保证连续5-7阴雨天正常工作。表2.5 系统的设计方案及报价序号名称型号单位数量价格（RMB）1
40、太阳能电池组件250W块470002蓄电池12V/200Ah块5100003控制器MNE-SPD1KV6台19504水泵SPA4370010台110005电池板支架镀锌+喷塑套113206控制箱防护等级IP65个111507时间控制器SG201个16508电缆4平方毫米 米80米5609电器及其他配件套130010价格（含税）23030元/套2.6.3 设备选型 1.太阳电池组件设计选型设计拟采用JN250-36D型晶体硅太阳电池组件。图2.22JN250-36D型晶体硅太阳电池组件表2.6太阳电池组件技术参数技术参数光电转换效率：15%电池板开路电压：21.5V 电池板最佳工作电压：17.5
41、V绝缘电阻：大于200兆欧填充因子FF%：70%使用寿命大于20年2.控制器的选型本文选用MNE-SPD1KV6直流控制器图2.23 本文所选用的控制器产品特点：l 使用最大功率点跟踪(MPPT)技术。 l 可驱动传感器的直流无刷水泵。l 使用矢量控制技术，正弦波电流输出。l 软启动，启动所需功率小。l 完善的系统保护功能，如过呀、欠压、过流、过载等。l 有效监测水源和蓄水点水位。l 系统匹配性好，课借光伏组件也可接蓄电池。l 先进的散热设计，寿命长达10年。l 通过CE认证 。产品详情：l 易于安装，免维护。可兼容市面上更多的直流水泵 。 l 带有全面水泵保护系统 。l 具有可选的6个水位传
42、感器。表2.7直流控制器参数型号MNE-SPD120V2MNE-SPD120V2AMNE-SPD360V3MNE-SPD500V4MNE-SPD720V5MNE-SPD1KV6额定电压(VDC)2424364872110工作电压范围(V)20-4220-4232-4442-7242-8890-132最大开路电压(V)444488150150200额定电流(A)551010.51010额定功率(W)1201203605007201100尺寸(mm)26.5*110*20120*185*100240*185*100重量(kg)0.212冷却方式水冷(IP68)风冷(IP52)表2.8 MNE-SP
43、D1KV6控制器参数型号额定电压(VDC)工作电压范围(V)最大开路电压(V)额定电流(A)额定功率(W)尺寸(mm)重量(kg)MNE-SPD1KV611090-132200101100240*185*1002 3.光伏水泵的选型：产品介绍： 光伏水泵是以太阳能为动力的扬水设备由光伏水泵逆变器和水泵组成。应用时，根据扬程和日用水量的需求配置相应功率的太阳能电池阵列后，称为光伏扬水系统。主要用于农业灌溉、荒漠治理、草原牧业、城市水景、生活用水等领域。 近年来，随着全球太阳能电力产品不断从城市应用市场走向更大规模的农田、草场、荒漠等需求市场，光伏水泵成为把光伏产业与农业水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等传统产业整合发展的核心产品。光伏水泵利用来自太阳的持久能源，日出而作，日落而歇，无需人工值守，不需要柴油、不需要电网，不需要储能电池，直接驱动水泵扬水（亦可以蓄水替代蓄电），光伏水泵与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，更能节水节能，大幅降低使用化石能源电力的投入成本。图2.24 本文选用的光伏水泵以及光伏水泵产品型号定义表2.9 SPA4370010光伏水泵参数型号水泵规格扬程说明流量范围出水口径适用井径推荐开路电压范围推荐工作电压范围SPA41K10603PH 220V 50Hz23 - 12 m40 - 60m35