光伏水泵

光伏水泵系統是直接利用太陽電池光生伏打效應發電,之後通過一系列電力電子、電機、水機等控制及執行環節從而在江河湖泊或深井中實現提水的系統。

該系統是光、機、電、控制技術等多學科交叉、結合的體現。隨著太陽電池及電力電子技術的不斷進步,全球光伏水泵的技術及套用也突飛猛進地在發展。

基本介紹

• 中文名：光伏水泵
• 外文名：Solar Pumping system
• 亦稱：太陽能水泵
• 組成部件：光伏揚水逆變器和水泵
• 統稱為：光伏揚水系統
• 套用：民用取水

光伏水泵

近年來，隨著全球“糧食問題”、“能源問題”的嚴重性不斷提升，逐步被譽為解決有效耕地提高產量和用清潔能源替代化石能源的最為有效的產業整合產品。成為把光伏產業與農業水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等傳統產業綜合發展的新興經濟模式。

光伏水泵利用來自太陽的持久能源，日出而作，日落而歇，無需人員看管，不需要柴油、不需要電網，可與滴灌、噴灌、滲灌等灌溉設施配套套用，節水節能，可大幅降低使用化石能源電力的投入成本。是全球“糧食問題”、“能源問題”綜合系統解決方案的新能源、新技術套用產品。

光伏水泵的主要組成部分

太陽電池陣列(亦稱光伏陣列)

由眾多太陽電池組件串、並聯構成,組件組合之合成容量可以是數百峰瓦(W戶),也可以達到數個兆峰瓦(MWp)甚至更大,組件可以由單晶矽、多晶矽、非晶矽或其它類型的太陽電池組成。一般說來,光伏陣列由於多為半導體器件構成,其電源特性(伏安特性及溫度特性)具有強烈的非線性性質。光伏水泵系統所配用的光伏陣列容量往往在數百Wp至數十KWp之間。

DCIDC環節

這是由於太陽電池陣列具有非線性的電源特性,為保證陣列在任何日照和環境溫度下都將提供相應可能的最大功率輸出,必須引入該一環節,在太陽能光伏技術中稱它為“最大功率點跟蹤器”。

DCIAC環節

這是一個為表達方便而採用的替代用語。在交流異步或同步驅動中,它是變頻逆變器,但在直流無刷電機驅動方式中,它是專用的驅動控制器。

馬達(驅動電機)

在不同系統中使用的驅動電機也不同。目前在小於10閱Np功率等級的光伏水泵系統中,為獲得儘可能高的系統效率,多採用直流無刷永磁電機驅動,在大型光伏水泵系統中,到目前為止仍不乏採用交流異步傳動方式者,但是由於近代控制技術的不斷發展,為了進一步提高單位峰瓦提供的揚水量,己經開始有被多台水泵實現柔性控制的多機群控技術所替代的趨勢。

水泵

對於光伏水泵系統而言,水泵類型的選擇同樣至為重要。在功率不大的系統中,若用戶要求揚程高但流量較小的情況下,宜選擇容積式正位移水泵,在其它情況下可能以採用離心式或軸流式水泵。關於光伏水泵系統配用泵型的選擇與考慮。

水塔及儲水設施

如果光伏水泵系統套用於冬季寒冷地區(如我國廣大西部地區),則宜採用防凍儲水設施,例如中間抽真空或實以絕熱材料的雙層水箱或水塔,引水管道亦應採用抗低溫材料並作防凍處理。

光伏水泵的分類及特點

交流異步電機驅動光伏水泵

較大功率(比如說,功率大於10KW或更大時)的光伏水泵系統中,驅動電機仍不乏採用三相交流異步電機者,其中異步電機通常採用濕式護套繞組,由於槽滿率低的結構特點,其效率通常較同等功率的直流永磁無刷電機低得多,但是其構造相對簡單,造價相對低廉,油浸電機不適於用在同時提供人畜飲水的供水系統中,因此還有一定需求。其驅動控制的核心是專用的變頻與控制一體化電源,本質上是將變頻技術與光伏陣列最大功率點跟蹤技術及若干必要的運行保護措施集合在同一個控制器中,由中央控制器完成光伏水泵系統中所需的全部控制功能,這樣做的優點是系統穩定性好,結構緊湊,電機電壓等級可按陣列配置自由最佳化選擇,製造成本低,同時可以充分考慮到光伏水泵戶外長時間無人值守、全自動運行等特點,在散熱、防塵、防雷及各種專用的保護措施(如打幹保護)等方面給予特殊考慮,較之“拼湊式”結構具有高得多的經濟性和可靠性。

直流永磁無刷電機驅動之光伏水泵

直流電動機以其機械特性好、調速範圍寬、起動轉矩大、運行效率高、控制簡單等優點在運動控制系統中得到了廣泛的套用,但是其電刷和換相器也帶來了可靠性較低、需經常維護等弱點。近20多年來,隨著大功率開關器件、模擬和數字積體電路、計算機技術、高性能磁性材料的快速發展,採用電子換相原理工作的無刷直流電動機也得到了相應快速的發展。它己從最初套用的宇航、軍事設施領域迅速擴展到工業和民用領域,使用面日益廣泛.目能小功率無刷直流電動機已大量用於計算機外圍設備、辦公室自動化和音響影視設備中,在一些電力傳動系統中,其套用也愈來愈廣泛。

若干年來無刷直流電動機開始在光伏水泵系統中被用作驅動電機間,這是由於該種電機具有一般交流電動機所不易達到的高效率,它可望在較大幅度上減少目前還相對昂貴的太陽電池的用量,具有顯著的經濟性。但是,由於光伏水泵通常要求電機潛入水中運行,因此本文的研究工作除需要解決常規的直流無刷電動機的運行驅動技術外,還要求電機能適應潛水的要求,也就是必須同時解決繞組的可靠絕緣問題。從機械密封的角度想方設法去解決潛水電機的密封問題固然是一種思路,但是甚難克服其結構複雜、相應的機械損耗偏大的問題。

光伏水泵的特點

光伏水泵系統全自動運行，無需人工值守，系統主要由光伏揚水逆變器、光伏陣列、水泵組成。系統省卻掉蓄電池之類的儲能裝置，以蓄水替代蓄電，直接驅動水泵揚水。

光伏揚水逆變器對系統的運行實施控制和調節，實現最大功率點跟蹤。當日照充足時保證系統額定運行，當日照不足時，設定最低運行頻率滿足，確保太陽能電池電力的充分套用。

太陽電池陣列由多塊太陽電池組件串並聯而成，吸收日照輻射能量，將其轉換為電能，為整個系統提供動力電源。

水泵從深井或江河湖泊等水源中提水，注入水箱/池，或直接接入灌溉或噴泉等系統。直流泵、交流泵、離心泵、軸流泵、混流泵、深井泵等均可使用。

光伏電源的優勢

（1） 可靠：光伏電源很少用到運動部件，工作可靠。

（2） 安全，無噪聲，無其他公害。不產生任何的固體，液體和氣體有害物質，絕對的 環保。

（3） 安裝維護簡單，運行成本低，適合無人值守等優點。尤其以其可靠性高而備受關 注。

（4） 兼容性好，光伏發電可以與其他能源配合使用，也可以根據需要使光伏系統很方便的增容。

（5） 標準化程度高，可由組件串並聯滿足不同用電的需要，通用性強。

（6） 太陽能隨處都有，套用範圍廣。

但是，光伏系統也有其缺點，比如：能量分散，間歇性大，地域性強。前期成本較高。

交流水泵利用太陽能，在無需任何外來能源的情況下可以機動靈活地用於農田灌溉、提供潔淨人畜飲水、發展庭院經濟、美化園區、構造彩色噴泉、為養魚、養蝦池增氧、海濱鹽場供排水等。此外大量國際訂貨意向表明，這種高技術產品的國際市場前景令人十分鼓舞。交流水泵系統的套用不需要蓄電池，節省了電池更換的費用，減少了電池對環境造成的污染，作為一個剛剛嶄露頭角的產業，十分符合我國可持續發展的戰略。

產品特點：壽命長、功耗低、噪音小、調速平衡、運行可靠、無干擾等。

光伏水泵系統利用來自太陽的持久能源，日出而作、日入而息，無需人員看管、無需化石能源、無需綜合電網，獨立運行、安全可靠。可與滴灌、噴灌、滲灌等灌溉設施配套套用，有效解決耕地灌溉問題，提高產量，節水節能，大幅降低傳統能源、電力的投入成本。因此成為利用清潔能源替代化石能源的最為有效的方式，成為全球“糧食問題”、“能源問題”綜合解決方案的新能源、新技術套用產品，特別符合國家建設“資源節約型”與“環境友好型”的社會發展戰略。

發展光伏水泵的世界趨勢

光伏水泵系統”亦稱“太陽能光電水泵系統”,其基本原理是利用半導體太陽電池將太陽能直接轉換為電能,然後驅動各類馬達帶動水泵從深井、江、河、湖、塘等水源提水,可以用作牧區、草原、邊防哨所等缺電、無電地區的人畜飲用水,也可用於缺電、無電地區的草原、牧場或其它農作物的灌溉用水。在已開發國家也已逐步地被用於花園、別墅、草地及宿營地等的供水設施,已逐步成為文明時尚的產品。

由於缺水,我國西部和西北地區的國土正以每年2500平方公里的速度被沙化,那裡的人民往往不得不放棄家園向東遷移。我國西北部地區的缺水是否不可避免地必然嚴重到這種程度。這是值得探討的。相關的水資源材料表明,僅我國新疆地區水資源的蘊藏量就達到1150億立方米(大部分是地下水),這相當於兩條黃河的徑流量,消極盲目地抵制開發地下水資源實際上是對資源的極大浪費,相反,合理並可持續地開採、利用這些水資源就有可能重綠那片國土,非但絲毫無損那裡的生態平衡,而且必定會帶來巨大的生態和經濟效益,必定會逐步良性地改變那裡的面貌。

提取地下水的關鍵是動力,可是在電網未及的大西北邊遠農村,動力正是首缺,我國目前還有將近8000萬人口居住在新疆、青海、西藏、甘肅、內蒙等省份的邊遠無電或嚴重缺電的乾旱地區,這些地區的共同特點是人口密度低、居住分散、交通不便、氣溫偏低但太陽能資源豐富,有些地區還具有相當豐富的地下水資源。那裡的人民渴望能用上電以解決他們的照明、潔淨人畜飲水和農牧區灌溉、通訊、小家電甚至小規模的農產品加工問題。35VK供電線路的造價超過人民幣80,000元/公里,這種小負荷、長距離的輸電方式顯然是不經濟的。

柴油機供水、發電固然也是一種選擇,但在邊遠地區燃料的運輸、零配件的供應、維修力量的不足、高原地區柴油機效率低下等困難,使人們一直在尋找替代它的新途徑。我國西部大部分地區的日照資源可高達18OOKWhlmZ/年,這是一個得天獨厚的條件,因此光伏發電和提水自然就成了這些地區解決供電、供水問題最合乎邏輯的選擇,再加上近若干年來光伏器件的不斷降價和光伏水泵全自動、少維護等特點,就為大力推廣光伏水泵系統提供了十分優越的條件。

毋庸贅述,由於光伏水泵是由太陽能直接驅動的,因此它具有十分明顯的節能及環保效益,它不消耗常規能源,相比於柴油機水泵,它具有無噪聲、全自動(日出而作,日入而停)、高可靠、供水量與蒸發量適配性好(“天大旱,它大幹”)、經濟性明顯等許多優點,已在世界範圍內倍受青睞,聯合國國際開發署(UNOp)、世界銀行組織(WB)、亞太經社會(ESCAP)等國際組織都先後在多個場合充分肯定了它的先進性與合理性,目前在這些國際組織的組織與支持下,全世界已有數萬台不同規格的光伏水泵在不同地區和國家運行,特別是在亞、非、拉及中東等開發中國家,已為許多貧困地區的人民帶來了可觀的經濟效益,加速了這些地區的脫貧步伐,體現了令人鼓舞的社會效益。

光伏水泵系統從技術上說是一個比較典型的“光、機、電一體化”系統,它涉及太陽能的採集、變換及電力電子、電機、水機、計算機控制等多個學科的最新技術,因此己被許多國家列為重要的發展對象,中東、非洲有不少國家更是制定計畫,期望依藉太陽能水泵及微灌、現代農業等新技術在地下水資源比較充裕的乾旱地區把家園改造為綠洲。