太阳能水泵系统的研究现状与趋势

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太阳能水泵系统是由太阳能电池板驱动电机和水泵运行的系统。自1978年安装第-批太阳能水泵系统以来 j，太阳能水泵系统不断改进和完善，近些年已大量应用在农村灌溉、饮水及城市景观中。太阳能水泵系统的产生和发展对解决偏远地区用水、缓解传统能源依赖和节能减排有着重要意义。自产生之 日起，国内外学者做了大量有关太阳能水泵系统的研究，使太阳能水泵系统不断发展完善，从内容来看这些研究主要可分为系统的配置研究、性能预测、系统优化及评价。

2 太阳能水泵系统配置由于太阳能电池板输出电能为直流形式，因而采用直流电机与电池板阵列直接耦合成为最直接最简单的系统，因此早期的应用和研究集中在水泵、直流电机与电池板直接耦合的系统上。如Roger等通过试验得到0.5kW的电池板与泵直接耦合的系统的性能 j。Appelbaum等把电池板分别与串励直流电机、并励直流电机、他励直流电机收稿日期： 20t2-l0-23基金项目： 国家自然科学基金(51109095)；江苏省自然科学基金(BK2010346)；国家高技术研究发展863计划(2011AA100506)FLUID MACHINERY Vo1.41，No.7，2013连接驱动恒定负载和风机类负载 ，比较他们的启动特性和稳态特性，并根据负载的输入功率与电池板最大接收功率之比定义负载与电池板的匹配度，随后又研究了电池板带 6种不同负载(电阻、蓄电池、电解槽、功率调节器、直流电机分别驱动容积式和离心式水泵负载)的匹配情况，结果显示在直接耦合的系统中蓄电池和离心泵与电池板匹配良好，而容积式泵与电池板匹配较差。

之后他们对 比研究了系统带有 MPPT(MaximumPower Point Trace)和不带 MPPT的永磁、他励、串励、并励直流电机的启动特性，发现带有 MPPT的系统电机启动与额定电流 比、转矩比均比不带MPPT的系统高，各类型电机电流放大比例相同，永磁电机转矩放大比例最低、整体式他励电机最高。他们发现在启动阶段，电池阵列相当于-个恒流源，当驱动加速时相当于恒压源。虽然有刷直流电机使用方便，但通常维护不方便，对于潜水泵系统，更换电刷需要把泵从井中取出并拆开，从而增加运行成本，因此其可靠性较低 J。为了克服这-缺点，人们开始大量应用无刷直流电机，其动态性能良好，能效高，与电池板匹配度高。但是，无刷直流电机功率通诚小，且价格较贵，因而只应用于低功率系统中 。对于大功率系统，太阳能水泵系统应该寻求电机与阵列的最佳组合来达到高效率、低成本、高可靠性。在大功率系统中使用逆变器和交流异步电机是较为合适的方案。与-般直流电机相比，交流异步电机更坚固耐用，工况变化范围更大，工作可靠，且成本低，也不需要维护。同时交流电机为系统效率的提升提供更大空间和多样的控制策略。随着系统功率的进-步增大，其功效可逐步抵消添加逆变器的费用 1，12l。

除了电池阵列及电机 -泵装置这两个主要部分，为了最大限度利用光照，在系统中加入功率跟踪器来使电池板运行在最大功率处；加入蓄电池或蓄水池等装置来储存能量；在有交直流转换的系统中加入变频器以使电机变转速运行。Singer等的研究表明带有 MPPT的系统电机启动电流和转矩放大倍数明显增大 J，且可使全天光照利用率增加。蓄电池可缓冲电池板电力供应和提供给负载稳定电源。Khouzam等指出带有蓄电池缓冲的系统可以提供几乎恒定的负载电压 ，适当选择蓄电池工作电压可以产生接近带有 MPPT系统的效率；蓄电池的缓冲作用使负载没有明显的季节依赖性 。但对于要求不高的用水系统，在适当情况下以蓄水方式也能达到接近蓄电系统的效果，且更为经济、环保和方便。因此，大多-般用途的系统都选择蓄水方式。这些装置的添加对于系统效率的提升都有重要作用。

目前产品中电池板和水泵之间有以下 3种耦合方式：(1)直接耦合：直流电机-泵控制器电池板。(2)直流电机带最大功率跟踪器：直流电机 -泵 控制器(带 MPPT)电池板。(3)交流电机带最大功率跟踪器和变频逆变器：交流电机 -泵 控制器(带 MPPT和变频逆变器)电池板。对于户用水泵，-般电机功率在 2kW 以内，使用直流电机的优势较为明显。-些厂家使用高效三相异步电机，其优势在大功率(5kW 以上)系统中能得到较好体现。

3 太阳能水泵系统性能预测由于太阳能水泵系统运行随光照变化而变化，且同时受环境温度等因素影响，因而系统输入与输出具有明显的非线性关系，这是造成系统设计、评价和优化复杂性的主要原因。鉴于此，在系统设计时有必要对系统性能进行预测。

Hsiao等用所获得的-年内每小时的光照数据来预测系统性能 ，然而这种使用每小时平均数据的方法并不适用于每个地方，而且使用这样的数据做性能预测会花费时间和计算机资源。

Eckstein等提出-种基于制造商数据来预测出水量的理论模型方法 16]。Kou等根据制造商提供的阵列和电机 -泵数据 ，以月平均每日光照和周围环境参数输入来预测系统长期性能的方法，发现用单月平均每日的数据来预测，仅在高光照水平时结果较为合理。月出水量在低光照水平时低于预测值，中等光照水平时高于预测值。Nar-varte等考虑井内水位的变化，提出-个简单的步骤 ，使依据制造商提供的数据来设计系统的方法得以扩展。

流量和光照间的非线性关系使得系统性能预测相当困难，同时光照只有达到-定水平时系统才能够抽出水来，这个值即扬水阈值 。早期低扬程直流有刷电机连接离心泵的太阳能水泵系统流量和光照关系用实验测定 J。实际上，相比于系统短期运行状况，人们更关注于系统的长期性能，-些学者把预测光热系统的长期热力性能的2013年第41卷第 7期 流 体 机 械 35Utilizability方法应用于太阳能水泵系统 中 。

Utilizability是在临界光照之上所收集光照的分数，但使用这个方法时通常要求系统有用能量和光照之间为线性关系。由于光照和流量具有很明显的非线性特征，为克服这个问题，Loxsom等用两条直线部分代替这个非线性曲线 ，以月平均光照作为唯-输入来预测太阳能水泵系统长期平均性能。Fraidenraich等假设扬水 阈值恒定不变 ，储水容量无限大，流量是光照的二次多项式，基于 Utilizability方法得到-个解析表达式来计算随光照而非线性变化的物理量的时间平均值。Vilela等用Utilizability方法预测带有跟踪器的太阳能水泵系统的长时期出水量 j。Amer等以实验所得光照和流量之间的关系为基础 ，在已知扬水阈值光照的情况下，使用标准光照 Uti-lizability回归方程计算流量，预测与实际值相差约5%。

在-般的泵系统中，电机-直在恒定电压下运行。对于特定的工况，可确定适合其扬程且达到最佳效率的泵。而在太阳能水泵系统中，情况则不同，光照强度变化，系统效率及流量随之变化，系统的每个组件有其本身运行特性，且其中很少对下个环节有益 。装置扬程和电池阵列的尺寸明显影响系统设计、优化和评价。单纯考虑制造商所提供的数据或利用其他应用领域的方法如 Utilizability不能保证系统精确的设计和优化。

因而，不少研究人员采用软件如 TRNSYS，Matlab等仿真来寻求系统性能的精确预测 7 。许多学者提出了与仿真软件TRNSYS兼容的四个参数的太阳能光伏阵列数学模型以及相应的电机、泵和 MPPT的数 学模 型 。KOU 开发 uw -PUMP程序ⅢJ，从平均每月天气数据得出简化的每小时天气数据来仿真系统性能，对 比用 TRN-SYS仿真的结果差别 3% ～6%。然而这些模型间的非线性关系很复杂，成功地仿真系统需要很强的数值仿真的技巧