1 引言
光伏水泵系統(tǒng)是典型的光機(jī)電一體化高新技術(shù),，為聯(lián)合國(guó)國(guó)際開(kāi)發(fā)署（UNDP）向發(fā)展中國(guó)家推薦的首選技術(shù)。據(jù)報(bào)道全世界已有數(shù)萬(wàn)臺(tái)不同規(guī)格的光伏水泵系統(tǒng)投入了運(yùn)行,，且其應(yīng)用規(guī)模在逐年擴(kuò)大,，特別是在亞、非,、拉等發(fā)展中國(guó)家,。據(jù)報(bào)道印度近五年來(lái)新安裝的光伏水泵系統(tǒng)約有4000臺(tái)套，并計(jì)劃再推廣安裝50000臺(tái)套,。預(yù)計(jì)到2010年世界上將有50萬(wàn)套光伏水泵系統(tǒng)投入運(yùn)行,。我國(guó)經(jīng)過(guò)十幾年的努力,已成功地研制出2.5kW和5kW光伏水泵系統(tǒng)，并在不同地區(qū)相繼投入實(shí)地運(yùn)行,。目前這些系統(tǒng)基本上采用恒定電壓跟蹤器(CVT)代替最大功率點(diǎn)跟蹤器(MPPT),。對(duì)于全年冬夏溫差較大的地區(qū)，由于CVT不能適應(yīng)太陽(yáng)電池方陣伏安特性隨光強(qiáng)和溫度的變化,，引起系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離太陽(yáng)電池方陣最大功率點(diǎn),，造成系統(tǒng)失配損失。本文介紹2.5kW光伏水泵系統(tǒng)的構(gòu)成和典型的實(shí)地運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù),，并對(duì)系統(tǒng)典型的日瞬態(tài)工作點(diǎn)特性進(jìn)行了分析討論,。
2 系統(tǒng)基本構(gòu)成
光伏水泵系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣，逆變控制器,，電機(jī)和水泵四部分構(gòu)成,。太陽(yáng)電池方陣由四組并聯(lián)組成，每組由18塊35W單晶硅太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)組成,。單塊組件工作電壓約為17V,工作電流約為2A,。每組工作電壓約為306V，工作電流約為2A,。方陣總輸出工作電壓約為DC306V,，總工作電流約為8A，標(biāo)稱輸出總功率2500W,。
逆變控制器將太陽(yáng)電池方陣輸出的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，輸入電壓DC300V，額定輸出電壓AC220V,，起始工作頻率25Hz,。主要由定電壓跟蹤器（CVT），Duck式DC/DC變換器、可控壓控振蕩器(V/f）,，環(huán)形分配器,，逆變器的驅(qū)動(dòng)及主電路，為控制電路供電的DC/DC變換器六部分組成,。
三相異步電動(dòng)機(jī)和潛水泵構(gòu)成潛水電泵總成,，變頻運(yùn)行。電機(jī)標(biāo)稱功率1.5kW,，額定工作電壓三相220V,。水泵為6英寸5級(jí)潛水泵，額定揚(yáng)程45m,。
3 實(shí)地運(yùn)行數(shù)據(jù)采集
太陽(yáng)電池方陣安裝方位為南偏西10°,，傾角30°～55°可調(diào)。逆變控制器置于泵站室內(nèi)陰涼,、通風(fēng),、干燥處。潛水泵置于機(jī)井內(nèi)動(dòng)態(tài)水位以下15m,，出水管采用法蘭連接,。系統(tǒng)安裝完成后，先檢查太陽(yáng)電池方陣的輸出電壓,，再將四組太陽(yáng)電池方陣逐一并聯(lián)接入逆變控制器,，啟動(dòng)逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn),采集數(shù)據(jù)。圖1為現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)電池方陣實(shí)物照片,。
圖1 光伏水泵系統(tǒng)太陽(yáng)電池方陣實(shí)物照片
運(yùn)行數(shù)據(jù)采集所用儀器儀表為
1）國(guó)產(chǎn)DT9907C型數(shù)字萬(wàn)用表；
2）日產(chǎn)HCL－60數(shù)字溫度計(jì),；
3）II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池（標(biāo)準(zhǔn)值Isc=159.11mA）,。將標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池固定在太陽(yáng)電池方陣面上，測(cè)定入射到方陣面上瞬時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,。同時(shí)測(cè)定方陣輸出工作電流,，工作電壓，組件溫度和環(huán)境溫度,。每隔1h采集一次數(shù)據(jù),，典型日實(shí)地運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 2.5kW光伏水泵系統(tǒng)典型日實(shí)地運(yùn)行數(shù)據(jù)
| 當(dāng)?shù)貢r(shí)間/h | 輻射光強(qiáng)/（W/m2） | 方陣電壓/V | 方陣電流/A | 組件溫度/℃ | 環(huán)境溫度/℃ |
|---|---|---|---|---|---|
| 8:00 | 250 | 294 | 2.0 | 27 | 25 |
| 9:00 | 485 | 297 | 4.0 | 43 | 26 |
| 10:00 | 503 | 298 | 5.0 | 50 | 28 |
| 11:00 | 742 | 298 | 6.0 | 49 | 30 |
| 12:00 | 830 | 298 | 6.0 | 58 | 28 |
| 13:00 | 566 | 296 | 4.0 | 50 | 29 |
| 14:00 | 730 | 296 | 6.4 | 50 | 29 |
| 15:00 | 642 | 297 | 5.0 | 53 | 32 |
| 16:00 | 516 | 296 | 4.4 | 54 | 32 |
| 17:00 | 324 | 295 | 2.4 | 46 | 31 |
| 17:30 | 300 | 292 | 2.0 | 38 | 31 |
4 數(shù)據(jù)分析與討論
由典型日運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)瞬時(shí)工作電壓基本跟蹤在296V附近,并隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和組件溫度的變化而漂移,。分析表1的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為730W/m2，組件溫度50℃,，方陣工作電壓296V時(shí),，方陣工作電流達(dá)6.4A。而當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為830W/m2，組件溫度58℃,，方陣工作電壓298V時(shí),，方陣工作電流為6.0A。方陣工作電流隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加反而減小,，反映了系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)偏離了最大功率點(diǎn),。圖2為某典型日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、方陣工作電壓和工作電流的瞬時(shí)變化,。由此可進(jìn)一步看出,，在方陣工作電壓基本恒定的情況下，方陣工作電流開(kāi)始隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加而線性增加,，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加反而下降,。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減小時(shí)，方陣工作電流開(kāi)始略有增加隨后線性下降,。在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的時(shí)段方陣工作電流出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。這是因?yàn)殡S組件溫度的升高方陣伏安特性變差,，CVT不能適應(yīng)這種瞬態(tài)變化使系統(tǒng)偏離最大功率點(diǎn),，導(dǎo)致功率損失。
圖2 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,、方陣工作電壓和工作電流的瞬時(shí)變化
圖3為組件溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的瞬時(shí)變化情況,，由此可看出環(huán)境溫度基本恒定，組件溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化近似線性變化,，當(dāng)環(huán)境溫度30℃,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為750W/m2時(shí),組件溫度達(dá)60℃,，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和組件溫度的變化導(dǎo)致系統(tǒng)工作點(diǎn)的漂移。圖4為典型日系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)變化情況,。綜合分析可知,，夏季在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的時(shí)段工作電壓設(shè)定在296V偏高，不能使系統(tǒng)有效地工作,。
圖3 組件溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的瞬時(shí)變化
圖4 典型日系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)變化情況
5 結(jié)語(yǔ)
光伏水泵系統(tǒng)采用定電壓跟蹤器(CVT)雖然制作簡(jiǎn)單成本較低,但系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)不能適應(yīng)太陽(yáng)電池方陣伏安特性隨溫度和光強(qiáng)的瞬態(tài)變化,。在方陣工作電壓基本恒定的情況下，方陣工作電流隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化出現(xiàn)反?，F(xiàn)象,。系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離方陣輸出最大功率點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)功率損失,。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展,，為使光伏水泵系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)有的作用，從技術(shù)上應(yīng)真正實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT),，使系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)合理,。