太陽能揚水和照明綜合套用系統

太陽能揚水和照明綜合套用系統是將傳統的分別獨立的太陽能揚水系統和光伏照明系統合二為一的綜合套用系統，開發綜合套用系統使得太陽能光伏陣列輸出的電能得以最優套用。由於光伏陣列的輸出隨日照而變化，太陽能揚水系統的輸出也隨太陽光的強度而變化。當光照強度較強時，太陽能揚水系統可以正常抽水，而光照強度較弱時，即光伏陣列輸出功率小於某一值時，系統將無法繼續驅動水泵抽水。但光伏陣列仍將輸出一定功率的電能。利用太陽能揚水和照明綜合系統可以有效地利用光照較弱時的電能為蓄電池組充電，一方面解決了照明問題，另一方面節約了能源 。

基本介紹

• 中文名：太陽能揚水和照明綜合套用系統
• 外文名：Solar pumping and lighting combined application system
• 能量來源：太陽能
• 使用技術：太陽能光伏技術
• 套用領域：照明、農牧業用水
• 實際作用：解決我國部分能源缺乏問題

系統簡介

縱觀全球，人口的快速增長和工業化程度的不斷提高帶來的能源短缺和環境污染問題己成為當今世界共同面臨的嚴峻問題。積極開發新能源，保護人類生存環境也引起了世界銀行，全球環保機構以及包括各國政治首腦在內的能源主管部門的極大關注。開發新能源，使用替代能源和開發利用空間資源已成為在社會、環境和可持續發展推動下的必然措施。在這種形式下，太陽能光伏技術也進入了快速發展的階段。光伏揚水系統的數量在近年來迅速增長，特別是在非洲，南美，澳洲及亞洲各國的增長幅度相當大。目前，世界銀行和聯合國共同推薦光伏揚水作為解決邊遠地區人畜引水和農業灌溉問題的首選技術。光伏揚水與照明綜合系統將傳統分別獨立的光伏揚水和光伏照明系統合而為一，不僅具有無噪音、無污染、全自動和高可靠性等優點，還使得太陽能光伏陣列輸出的電能得以合理的套用，有效的節約了能源。

系統構成

光伏揚水與照明綜合系統的結構構成如圖1所示，它一般是由光伏陣列、變頻器、電機水泵和蓄電池組構成的。該系統的控制可以分為三部分，即MPPT（最大功率點跟蹤）控制，DC/AC變頻控制和充放電控制。它主要實現的功能有：在陽光充足的白天為電機水泵負載提供最大限度的功率輸出；而在陽光欠充足的清晨或傍晚時以最大限度的功率提供給蓄電池組充電；在沒有陽光的黑夜，具有充足電能的蓄電池組將為照明負載提供穩定持續的直流電源。

圖2示出了光伏揚水與照明綜合系統的電路原理圖。該系統的各個功能之間的切換由開關SW1和開關SW2來實現。

光伏陣列

目前，光伏市場的太陽能電池多為單晶矽太陽電池，多晶矽的市場份額正在逐年增長，非晶矽雖然也占有一席之地，但其市場份額只有百分之十幾。太陽電池的輸出伏安特性具有強烈的非線性，而且和日照強度，環境溫度，陰雨，霧等許多氣象因素有關，當環境保持不變時，其輸出工作區域包括具有高阻特性的電流源區域，也包括具有低阻特性的電壓源區域。考慮到實際套用系統負載的變頻器一電機—水泵及蓄電池—照明的特性，一般只將光伏電池用作電壓源，而具有高阻特性的電流源成為不穩定工作區域。在選擇了系統的電壓等級及裝機容量以後，光伏電池即可分為若干組並聯連線，如圖2所示。

MPPT控制

根據太陽電池的工作原理，當光照強度，溫度等自然條件改變時，太陽電池的輸出特性將隨之改變，輸出功率及最大工作點亦相應改變。在實際的套用系統中，自然光的輻射強度及大氣的透光率均處於動態變化中，這就給光伏系統的套用帶來了困難。另外，光伏揚水系統的負載電機可能是直流電機，也可能是交流電機或其它新型電機。正是由於諸多的難以預知因素影響著光伏陣列的輸出，使得實際系統中必須有一個適配器，來保證電源和負載之間的和諧，高效，穩定的工作狀態。MPPT（最大功率點跟蹤）控制器即為滿足以上要求的適配器。不僅如此，它還可以使光伏揚水與照明綜合套用系統在任何日照強度下都能工作在最優狀態。它的主要功能是：檢測主迴路直流側電壓及輸出電流，計算出太陽電池陣列的輸出功率，並實現對最大功率點的追蹤；實現特殊的保護功能如欠電壓，過負荷，過低負荷，井水打幹等。

變頻裝置

近年來，由於新型的調頻調速控制理論及功率電子元件的發展，使交流調速的效率及可靠性逐漸趕上了直流電機。傳統的有刷直流電動機也逐漸被三相異步電動機和直流天刷電動機所淘汰。在實際中套用的電動機是專門設計的變頻調速三相異步電動機。因而DC/AC變頻裝置成為必不可少的組件。考慮到風機水泵類負載，該變頻裝置中採用了VVVF的調製方法。

充放電控制器

當太陽光照強度減到一定時候，光伏陣列的最大輸出功率已經無法繼續驅動水泵抽水，主控制器將切換SW1狀態來啟動充電控制電路，對鉛酸蓄電池組進行充電，而當光伏陣列的輸出電壓降至零值即天黑時，主控制器將閉合放電開關SW2，啟動照明負載。該充電控制電路不僅要完成光照欠強條件下的最大功率點搜尋及產生相應的PWM驅動充電開關T7，同時還要完成鉛酸蓄電池組的充電狀態（SOC）檢測及與蓄電池組有關的保護措施。

套用領域

迄今為止我國仍有2800多萬無電人口，分散居住在邊遠落後的貧困地區。由於能源短缺，至今沒有解決引水和灌溉問題，特別是西北地區，由於氣候乾旱，土地荒漠化，草原退化的情況越來越嚴重，生態環境日益惡化，嚴重阻礙了農村經濟的發展。西北地區地下水資源豐富，但利用率不高。主要原因是缺乏電力供應。同時西北地區的太陽輻射強，日照時間長，太陽能資源非常豐富。因此，利用太陽能光伏揚水與照明綜合系統開發豐富的地下水資源，解決這些貧困無電地區的飲水，農牧業用水及照明問題，是一條既經濟又可行的途徑。

實際套用

1999年10月及11月，兩台2.5kw太陽能光伏揚水與照明綜合套用系統分別安裝在清華大學校園和新疆石河子市北泉鎮。到目前為止一直運行良好。實測的數據表明在晴天條件下，全年平均日出水量為60m3以上，在日照強烈時，可達80m3以上。圖3及圖4示出了1999年10月7日清華大學示範現場實測日照功率分布曲線和水泵流量曲線。在新疆石河子地區安裝的系統平均每小時出水10m3以上。不僅解決了當地農田灌溉的問題，而且也產生了良好的示範作用。

推廣前景

我國是以煤炭為主要消費能源的國家。較之以油、氣為主的能源消費主流，能源結構很不合理。在相當長的歷史時期，我國曾把發展能源、交通作為國民經濟的發展重點，對能源資源過度的開採和粗放型使用，不惜以環境污染作為代價，試圖突破能源和交通對國民經濟的制約，致使我國現在的能源開發面臨著極大的挑戰。
我國太陽能光電技術自70年代以來，經過“六五”、“七五”、“八五”三個五年計畫攻關，有了一定的發展。全國現有太陽能電池生產廠家6家，年生產能力為4.44MW，實際的銷量為2.0-2.5MW，平均以15%－20%的速度增長。產品主要為單晶矽光電池和非晶矽電池，其他類型光電池目前還處於研製階段。單晶矽太陽電池轉換效率以達14%，實驗室最高為20%。單結非晶矽太陽電池的穩定效率為5%－5.5%，實驗室最高效率為8.35%。
到目前為止，我國太陽能光電系統的總安裝容量在10MWp以上，多數用於交通信號、通信和陰極保護等方面，約占60%以上，其餘用於我國西部陽光資源豐富的邊遠地區。實踐證明，光伏技術在我國偏遠無電地區（特別是西部）套用推廣具有特殊的作用。1982年在甘肅榆中縣建成第一座10kWp光伏電站，為200餘戶農民提供照明用電；1992年，新疆鞏留縣城示範區全部採用太陽能光伏電源供電，邁出了利用太陽能消滅無電狀況的第一步。青海省從1986年以來已經推廣2.1萬套戶用光伏系統，而1990年以來己建成6個村莊電站；西藏自治區木刻前已建和計畫建光伏電站共6座，其中1998年12月擴建成功的安多光伏電站，總裝機容量100kWp，是我國目前最大的太陽能光電工程。

此外，戶用光伏系統（多在50Wp以下）在全國已推廣10萬套以上。世界銀行通過全球環境基金（GEF）項目向中國貸款和捐款，用於中國太陽能光電的示範和市場開拓，目的是在中國西部地區推廣20萬套（約10MWp）的戶用光伏系統。這一項目在國家經貿委的組織下已經開始執行。根據國家1996-2000年太陽能光電發展計畫，我國2000年和2020年的太陽能光電總容量分別達到66MWp和300MWp。
以上的事實說明我國對太陽能的利用剛進入起步階段，潛力很大，特別是我國地域廣袤，太陽能資源豐富，開發利用太陽能的空間廣闊，必須重視其開發利用，為今後我國的能源提供更多的選擇。