一种小型光伏提水机的设计文献综述
1.研究背景及意义
能源是人类生存的基础条件，是社会发展的必要动力。面对全球气候变暖、传统能源危机日益凸显的局势，能源的现有供给结构与时代的发展出现了错位[1]。主要问题出现在两个方面，一个是能源的供需矛盾日益突出，随着全球人口数量的爆炸式增长，人类的生存需要更多的能源进行支撑，而传统能源大多以不可恢复的资源为主，随着开发程度的不断深入，其储藏量处于日渐枯竭的地步，美国能源局的相关报告显示，100年后传统的化石资源将会开采完毕[2]；另一个是传统能源开发利用过程中产生的污染与全球气候变化带来的问题，人类在开采利用传统化石能源的同时，不可避免将会造成环境污染问题，此问题同样值得人类深思。面对当前人类面临的能源问题，绿色、清洁、可再生能源成为人类应对全球能源结构危机、气候变暖的根本途径，是经济社会可持续发展的根本保障[3]。太阳能具有其他能源所不具备的优势，发展前景非常看好。目前，有关光伏发电的研究不断深入，光伏发电系统的效率越来越高，并且随着光伏板原材料价格的不断下降，光伏成本也在逐渐降低，其成本的减少也为光伏发电系统的推广应用提供了极大的便利条件[4]。太阳能作为新型无污染能源被人类广泛应用于各个领域，而近年来光伏技术应用中的光伏提水机系统在抗旱、节水、节能方面大有可观。
光伏提水机将太阳光能转化为电能，为水泵供电。太阳能光伏提水系统由太阳能发电设备、光伏提水逆变器和水泵3部分组成。太阳电池阵列由多块太阳电池组件串并联而成，将日照辐射能量转化为电能，为整个系统提供动力电源[5]。光伏提水逆变器对系统的运行实施控制和调节，将太阳电池阵列发出的直流电转换为交流电，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[6]，最大限度地利用太阳能。光伏提水逆变器对系统的运行实施控制和调节，将太阳电池阵列发出的直流电转换为交流电，驱动水泵，并根据日照强度的变化实时地调节输出频率[7]，实现最大功率点跟踪，最大限度地利用太阳能。光伏提水逆变器，可根据日照强度的变化调节水泵转速，使输出功率接近太阳电池阵列的最大功率[8]。当日照很充足时，保证水泵的转速不超过额定转速；日照不足时，根据设定最低运行频率是否满足，否则自动停止运行。水泵由三相交流电机驱动，从深井中抽水，注入蓄水箱，或直接接入灌溉系统[9]。根据实际系统需求和安装条件，可采用不同类型的水泵工作，也可同时驱动多台水泵同时或轮换工作。水泵主要用于提升或输送水资源[10]，在工业、冶金、采油、农业等领域都得到了广泛的应用，它在很大程度上解决了水资源利用率低和地域限制的问题。光伏提水水泵系统是光伏发电应用的重要领域，其包括许多技术，如太阳能收集，电力电子，电机控制，是光-机-电一体化的重要体现，对水、电能源节约有深远意义[11]。
2.国内外研究现状
国外在这方面的研究起步较早。2011 年，Mokeddem A[12]等研究了一种由 1.5kWp 光伏阵列、直流电机和离心泵组成的直接耦合直流光伏(PV)动力抽水系统，在不同气候和光照幅度下，采用两种静态水头结构对系统进行 4个月的性能监测并进行不同条件下抽水量模拟，检测结果表明了该系统不需要电池和复杂的电子控制，直接耦合直流光伏水泵系统在突变发生后不久即达到稳态。2015 年，Zelalem Girma[13]针对埃塞俄比亚 Arba Minch 地区无法获得电网电力以及电网向农村地区扩展的普遍性极低，柴油发电机的维修频率和燃料成本飙升等问题，利用了直接耦合光伏抽水系统对该地区进行抽水灌溉，建立了不同功率下 PS600-CSJ5 型水泵的扬程数学模型，根据经验确定了该地区日灌溉水量 37.5msup3;，结果表明该光伏水泵系统运行成本低，组件与系统整体可靠性高，在技术上对农村供水是可行的。2016 年，Vimal Chand Sontak[14]等综述了光伏灌溉水泵系统（SPVWPS）的一般分类、太阳能水泵系统的历史背景、SPVWPS 各个方面的研究成果以及本课题的研究现状。对影响SPVWPS的研究进展进行了综述[15]。重点研究了光伏水泵系统的组成、影响系统效率的因素、性能评价、系统优化以及与其他绿色技术的结合可能性。建立了基于SPVWPS的直接耦合光伏系统，画出光伏永磁无刷直流电动机特性曲线，从而建立得出VFD与SPCM的结构模型。
国内对光伏灌溉水泵系统的应用较晚，但发展较快。源兴对太阳能水泵的种类、工作原理及性能等指标做了相关的介绍。但应用成本高、投资回报率低、光照资源不稳定是制约独立光伏水泵系统在光照充足的农村地区大面积推广的瓶颈。为提高系统效率，使系统达到最优，研究人员开始对光伏水栗的优化进行了研究与此同时，研究者意识到，对于整个光伏水泵系统来说，太阳能转换效率是重要参数。如何提高追踪效率成为当下主要的研究内容，众多学者为此开展了大量的试验进行研究。1991年，余世杰[16]等人介绍了配有最大功率点跟踪器MPPT的光伏水泵系统，描述了MPPT的原理及实现方法，并对最大功率点跟踪器对光伏水泵系统的影响进行了探讨，试验结果表明，系统较之原有直接耦合式光伏系统，日出水量比同一条件下可增加约25%，尤其在光照不足且强度变化较大条件下，MPPT的作用更为明显。刘长年[17]介绍了一种国内1996年开始研制的新型光伏水泵-KH液控太阳能光电水泵，1999年研制成功。装置中太阳能产出的电能通过最佳效率跟踪器可以自动保持最佳效率状态，而高效直流电机接受最佳状态下的电压和电流进行带动高效油泵工作进行抽水。刘振刚[18]介绍了TVSB-3型太阳能水泵，相较于其之前的太阳能水泵，金属扁管型的集热器改为真空玻璃管集热器，活塞式抽水也改为水柱密封的无摩擦抽水，提高了水泵的功率和效率。但这种水泵功率相对于常规水泵来说较小，因此多用在喷灌、滴灌等管道灌溉。谢磊[19]等基于珠海晴天条件下的日照辐射建立了日照分布函数模型，并对日照条件、系统配置等因素对光伏水泵系统性能和经济性表现的影响程度进行了评估。谈明高[20]等基于分析和试验数据，对光伏水泵系统各部件与系统进行数学建模，建立了系统的出水量预测模型。模型的模拟数据与试验数据对比结果发现，在辐射强度较高时，模型模拟值与试验值误差小于5%，且一年中太阳辐射量最高与太阳辐射量最低两天系统出水总量模拟值与试验值相对偏差也小于3%，结果表明该模型预测精度较高，可用于光伏提水全天出水量的预测，此项研究可为光伏水泵性能预测和系统配置提供相应的参考。
参考文献
[1] 袁见. 中国太阳能光伏产业政策效应研究[D]. 辽宁大学,2013.
[2] 薛辉. 浅析太阳能光伏水泵的优势[J]. 南方农机, 2018,(1):118.
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