高林朝， 謝 毅， 郝慶英， 賀立三， 胡國(guó)華，趙嚴(yán)初， 賈 兵， 田 悅

（1.河南省科學(xué)院能源研究所有限公司，鄭州 450008； 2.河南裕華建設(shè)安裝工程有限公司，鄭州 450053）

隨著太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率提高和光伏組件成本的降低，光伏水泵系統(tǒng)得到了快速發(fā)展并進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；茝V應(yīng)用階段［1-5］. 光伏水泵系統(tǒng)是一種利用半導(dǎo)體p-n結(jié)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)水泵從深井或江河湖泊中實(shí)現(xiàn)提水的系統(tǒng)，由于較常規(guī)柴油機(jī)水泵系統(tǒng)一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在解決偏遠(yuǎn)無(wú)電缺水地區(qū)人畜飲水和農(nóng)田灌溉用水方面，具有明顯的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境意義［6-7］. 目前對(duì)光伏水泵系統(tǒng)技術(shù)研究集中在系統(tǒng)配置、性能預(yù)測(cè)和系統(tǒng)評(píng)價(jià)優(yōu)化等方面研究［8-10］，該類研究大多著重于單一系統(tǒng)供給項(xiàng)下的分析，系統(tǒng)配置一些是光伏組件容量0.1～0.5 kW，水泵功率小，抽水量只能用于花草綠地小面積噴灌滴灌；而另一些是為了滿足農(nóng)田澆灌用電建造的容量100 kW以上光伏獨(dú)立電站，雖然可滿足大功率水泵工作條件，但成本高，占地面積大，而且系統(tǒng)安裝為固定形式，其應(yīng)用地域范圍和使用范圍受到限制，致使整套系統(tǒng)年利用率較低，經(jīng)濟(jì)效益欠佳. 另外，現(xiàn)有的農(nóng)田灌溉、照明、作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)等田間管理大多處于相互獨(dú)立分散運(yùn)行狀態(tài)，各自工作時(shí)段重疊，功能單一，重復(fù)設(shè)置，不能適宜現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展要求，可靠性和實(shí)用性方面尚不能解決田間管理綜合用能需求.

為此，本研究提出了一種移動(dòng)式光伏發(fā)電揚(yáng)水蓄能照明監(jiān)測(cè)集成應(yīng)用技術(shù)，并在河南地區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該裝置在光伏水泵揚(yáng)水、照明、作物生長(zhǎng)信息采集通信等方面作為蓄能備用電源，適用于田間灌溉、花園種植、照明和信息監(jiān)測(cè)需要.

1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成

光伏揚(yáng)水蓄能照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示. 系統(tǒng)由光伏陣列、MPPT 控制器、DC/AC逆變器、電機(jī)水泵、充/放電控制器和蓄電池組組成. 當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)地利用光伏陣列的輸出電能帶動(dòng)電機(jī)和水泵進(jìn)行提水. 當(dāng)陽(yáng)光較弱時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)地轉(zhuǎn)變?yōu)樾铍姵亟M充電，供照明和通信系統(tǒng)使用.

圖1 光伏揚(yáng)水蓄能系統(tǒng)測(cè)試示意圖Fig.1 Test diagram of PV pumping and electricity storage system

1.1 光伏方陣

光伏方陣由太陽(yáng)電池組件串并聯(lián)而成，其吸收日照輻射能量并將其轉(zhuǎn)化為直流電，直接為系統(tǒng)提供動(dòng)力電能. 太陽(yáng)能電池通常是由半導(dǎo)體材料制成，用于光伏水泵系統(tǒng)的太陽(yáng)電池多為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽(yáng)電池，光伏水泵系統(tǒng)所配用的光伏陣列容量往往在數(shù)百Wp至數(shù)十kWp之間［11］. 光伏方陣的輸出伏-安特性曲線具有和單體太陽(yáng)電池同樣的非線性，而且和日射強(qiáng)度、環(huán)境溫度等氣象條件有關(guān)［12］.

1.2 MPPT 控制器

由于光伏方陣的輸出伏-安特性曲線具有強(qiáng)烈的非線性，其輸出為隨日照而變化的直流電，而作為光伏陣列負(fù)載的光伏水泵，它的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有時(shí)是直流電機(jī)，有時(shí)是交流電機(jī)，甚至還有其他新型電機(jī)，它們同樣具有非線性性質(zhì)［13］. 為保證方陣在任何日照和環(huán)境溫度下都將提供相應(yīng)可能的最大功率輸出，必須引入最大功率跟蹤控制，即最大功率點(diǎn)跟蹤器（Maximum Power Point Tracker，MPPT）［14］. 控制器主要工作內(nèi)容是：檢測(cè)主回路直流側(cè)電流電壓，計(jì)算出太陽(yáng)電池陣列的輸出功率，同時(shí)發(fā)出控制信號(hào)完成在變頻調(diào)速過(guò)程中對(duì)陣列輸出最大功率的跟蹤；實(shí)現(xiàn)一些特殊保護(hù)功能，如過(guò)電壓、過(guò)負(fù)荷、過(guò)低負(fù)荷、欠電壓、井水打干及停機(jī)后在各種條件下的自啟動(dòng)等［15-17］.

1.3 DC/AC逆變器

逆變器是將光伏方陣通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤以后輸出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并驅(qū)動(dòng)水泵，具備逆變和MPPT功能，用于控制水泵轉(zhuǎn)速［18-20］. DC/AC逆變器在光伏系統(tǒng)中是必不可少的部件.

1.4 電機(jī)和水泵

常規(guī)的交流水泵和直流水泵，是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再到水勢(shì)能的核心部件. 在不同系統(tǒng)中使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也不同，為獲得盡可能高的系統(tǒng)效率，在大型光伏水泵系統(tǒng)中，目前以采用三相交流異步傳動(dòng)方式為主［21］. 對(duì)于光伏水泵系統(tǒng)而言，水泵類型的選擇至為重要. 一般情況下，小流量、高揚(yáng)程的場(chǎng)合通常選用容積式正位移水泵，較大流量、揚(yáng)程較高的場(chǎng)合多選用離心泵［22］. 在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到光伏水泵系統(tǒng)變頻運(yùn)行、負(fù)載率早晚變化較大等特點(diǎn)，要力爭(zhēng)做到使電機(jī)全日、全年的總平均效率最高［23－24］.

1.5 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)是由充/放電控制器和蓄電池組構(gòu)成. 當(dāng)太陽(yáng)能光照強(qiáng)度減少到一定強(qiáng)度時(shí)，光伏陣列的最大輸出功率已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)驅(qū)動(dòng)水泵抽水，主控制器將檢測(cè)到的控制信號(hào)輸給充/放電控制器，從而對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電［25］. 太陽(yáng)能光伏方陣所發(fā)電能采用揚(yáng)水優(yōu)先或充電優(yōu)先兩種能量管理策略［26］.

2 光伏水泵系統(tǒng)揚(yáng)水與蓄能試驗(yàn)研究

2.1 系統(tǒng)配置與試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 kW光伏發(fā)電揚(yáng)水蓄能監(jiān)測(cè)綜合系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)平臺(tái)（見(jiàn)圖1所示）.

其系統(tǒng)具體配置參數(shù)如下：光伏方陣選用150 W/17.5 V 多晶硅光伏組件14塊，總標(biāo)稱功率2.1 kW. 方陣呈正南朝向安裝，傾角37°；光伏泵采用SJ5-12不銹鋼高效三相潛水型，電機(jī)功率1.1 kW，自動(dòng)變頻，三相220 V，出水量范圍3～5 m3/h. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)揚(yáng)水高程24.8 m；逆變器JNP1K1L，最大電機(jī)輸出功率1.1 kW，三相輸出端電壓交流220 V，最大逆變效率97%，輸出頻率范圍0～50 Hz，MPPT電壓范圍150～400 V；蓄水池配置不銹鋼保溫水箱，外形尺寸為1700 mm（外徑）×2600 mm（高），總?cè)莘e5 m3，用于存儲(chǔ)試驗(yàn)用給水量；高位水箱容積200 L，放置于設(shè)定揚(yáng)程24.8 m處. 太陽(yáng)能電池組件、光伏水泵和蓄電池充放電控制器等技術(shù)參數(shù)分別如表1、表2所示.

表1 太陽(yáng)能電池組件和光伏水泵技術(shù)參數(shù)Tab.1 PV modules and pump configuration parameters

表2 蓄電池充放電控制器和膠體蓄電池技術(shù)參數(shù)Tab.2 Charge controller and colloid battery performance parameters

2.2 試驗(yàn)儀器

太陽(yáng)輻射測(cè)量由TMR-ZS1A氣象生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀完成，太陽(yáng)輻射值測(cè)試精度±5%，分辨率為1 W/m2，測(cè)溫精度為±0.1 ℃，顯示分度0.1 ℃；超聲波流量計(jì)TUF-2000E-TS-2-HT-PT100，尺寸為45 mm×25 mm×32 mm，測(cè)量管徑DN15～DN100，測(cè)量精度±0.1%，測(cè)量范圍0～±10 m/s，外夾式探頭用V 形法置于泵出口穩(wěn)流滿管段，水平安裝距離＞10D；光伏組件功率衰減采用PV900 便攜式太陽(yáng)能I-V 測(cè)試儀測(cè)試，最大功率測(cè)試范圍為50 W～10 kW，最大功率測(cè)試重復(fù)性±1%，轉(zhuǎn)換到STC下最大功率準(zhǔn)確性±5%，電壓測(cè)試精度0.1 V，電流測(cè)試精度0.001 A，溫度測(cè)試精度±1 ℃，輻照度測(cè)試范圍0～1800 W/m2，測(cè)試精度＞±3%；HT304手持式激光測(cè)距儀，UT243鉗形諧波功率計(jì)，UT204數(shù)字鉗形萬(wàn)用表.

2.3 試驗(yàn)方法

測(cè)試時(shí)間為2019年05月—2020年6月，測(cè)試地點(diǎn)為鄭州市. 試驗(yàn)期間，分別對(duì)逆變器、蓄電池充放電一體機(jī)和光伏泵運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄了發(fā)電功率、日發(fā)電量、瞬時(shí)流量、流速、日揚(yáng)水量，以及各輸入輸出電壓、電流、頻率等. 系統(tǒng)啟閉每日采用人工調(diào)節(jié)方法. 所有太陽(yáng)輻射值、環(huán)境溫度、風(fēng)速值等每隔10 min自動(dòng)記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；逆變器和充放電控制一體機(jī)的功率、電壓、電流、頻率等運(yùn)行參數(shù)對(duì)應(yīng)10 min間隔人工讀取記錄；光伏水泵流量采用流量計(jì)每隔10 min 自動(dòng)記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；測(cè)試方法參照GB/T 19064—2003（家用太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)技術(shù)條件和試驗(yàn)方法）和NB/T 32017—2013（太陽(yáng)能光伏水泵系統(tǒng)）；光伏組件功率衰減測(cè)試方法參照晶體硅光伏方陣I-V特性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量GB/T 18210—2000和并網(wǎng)光伏電站性能檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)估技術(shù)規(guī)范CNCA/CTS 0016—2015.

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 光伏組件功率衰減測(cè)試 由于搭建的光伏揚(yáng)水蓄能試驗(yàn)平臺(tái)采用了前期既有的光伏發(fā)電系統(tǒng)（2015年安裝使用），組件功率長(zhǎng)期運(yùn)行存在衰減，為此，需對(duì)實(shí)際功率進(jìn)行核驗(yàn). 光伏組件功率衰減率是光伏組件初始STC標(biāo)稱功率與評(píng)估時(shí)實(shí)測(cè)修正STC標(biāo)稱功率之差與光伏組件初始STC標(biāo)稱功率的比值. 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的14塊光伏組件進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)選定且清洗干凈的每一塊組件的I-V曲線，同時(shí)記錄光強(qiáng)和組件溫度. 修正到STC條件，同標(biāo)稱功率比較，得到光伏組件功率衰降率. 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如圖2所示，IV1、IV2、IV3、IV4、IV5 和PV1、PV2、PV3、PV4、PV5 分別為5 塊組件實(shí)測(cè)I-V 曲線與P-V 曲線；IVSTC1、IVSTC2、IVSTC3、IVSTC4、IVSTC5和PVSTC1、PVSTC2、PVSTC3、PVSTC4、PVSTC5分別為5塊組件實(shí)測(cè)修正到STC條件下的I-V曲線與P-V曲線.

圖2 光伏組件功率衰減測(cè)試曲線Fig.2 PV module power attenuation curves

由圖2可知，抽檢的5塊組件功率衰減率平均-12.5%，年均衰減3.1%，基本符合《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件（2015年本）》對(duì)多晶（單晶）組件首年功率衰減≤2.5%（3.0%），后續(xù)每年衰減在前一年的基礎(chǔ)上增加0.7%的規(guī)范要求. 故此，標(biāo)稱150 W光伏組件14塊的實(shí)測(cè)功率僅為1.837 5 kW.

2.4.2 日發(fā)電量與揚(yáng)水量特性 選取2019年10月29日全天運(yùn)行狀態(tài)實(shí)測(cè)結(jié)果，采樣周期為10 min，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與輸出功率為采樣點(diǎn)的瞬時(shí)值，流量為采樣點(diǎn)之間的平均值. 實(shí)測(cè)日照功率分布曲線和水泵流量曲線如圖3 所示. 測(cè)試當(dāng)天為晴天，環(huán)境溫度24～29 ℃，空氣質(zhì)量PM2.5為56 μg/m3，平均風(fēng)速0.77 m/s，日出日落時(shí)間為06：43—17：35.

圖3 太陽(yáng)輻射功率分布與水泵流量曲線Fig.3 The curves of solar radiation power distribution and pump flow

從圖4可以看出，在初始和終了時(shí)段，光伏方陣發(fā)電功率輸出較小，但揚(yáng)水效率較大，其最大揚(yáng)水效率達(dá)12.7%；在當(dāng)日10：25—13：45穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)段，光伏方陣發(fā)電功率基本不變化，揚(yáng)水效率保持穩(wěn)定不變，表明光伏水泵在此定揚(yáng)程下出力達(dá)到最大，全天平均揚(yáng)水效率11.1%. 若要提高揚(yáng)水效率，可考慮適當(dāng)減低揚(yáng)程.

圖4 流量—效率特性及光伏系統(tǒng)發(fā)電功率曲線 Fig.4 The curves of Flow-efficiency characteristics and PV system power generation.

2.4.4 光伏方陣日發(fā)電量與蓄電池儲(chǔ)電量占比分析 由于光伏水泵系統(tǒng)的特性，導(dǎo)致光伏組件的能量在光照強(qiáng)度良好的早晨、中午和傍晚三個(gè)時(shí)段，都存在能量浪費(fèi)的情況. 當(dāng)光照強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，光伏水泵系統(tǒng)可以正常抽水，而光照強(qiáng)度較弱時(shí)，即光伏陣列輸出功率小于某一值時(shí)，系統(tǒng)將無(wú)法繼續(xù)驅(qū)動(dòng)水泵抽水. 但光伏陣列仍將輸出一定功率的電能. 利用光伏水泵和照明綜合系統(tǒng)可以有效地利用光照較弱時(shí)的電能為蓄電池組充電，一方面解決了照明問(wèn)題，另一方面節(jié)約了能源［29-31］. 如圖5所示，陰影部分所示電能可通過(guò)光伏高壓充放電控制器與光伏水泵逆變器互補(bǔ)使用，將圖中陰影部分的能量存儲(chǔ)在蓄電池中，再通過(guò)控制器放電用于田間照明、作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)通訊等直流負(fù)載加以利用，極大提高了光伏組件的能量利用率.

圖5 日發(fā)電量曲線圖Fig.5 The curve of daily power generation

測(cè)試日上午06：43—09：05為蓄電池充電時(shí)段，光伏泵不啟動(dòng)運(yùn)行，到09：05時(shí)，光伏泵自啟動(dòng)運(yùn)行. 到16：45時(shí)，光伏泵停止運(yùn)行，下午16：45—17：50為蓄電池儲(chǔ)能時(shí)間. 中午11：25—13：15太陽(yáng)輻照量高峰時(shí)段為水泵揚(yáng)水和蓄電池充電同時(shí)運(yùn)行時(shí)間，也即定揚(yáng)程下水泵揚(yáng)水穩(wěn)定運(yùn)行所需發(fā)電功率在1200～1300 W之間，當(dāng)光伏方陣發(fā)電功率大于1300 W時(shí)，超出部分即為盈余量，可用來(lái)同時(shí)為蓄電池充電儲(chǔ)能，當(dāng)日盈余功率范圍為1300～1349 W. 三個(gè)時(shí)段提供的蓄電池充電儲(chǔ)能量合計(jì)0.47 kWh，約占當(dāng)日光伏方陣全天發(fā)電量8.4 kWh的5.6%左右，在該定揚(yáng)程下用于蓄電池充電儲(chǔ)能的占比較低，說(shuō)明泵揚(yáng)程設(shè)定過(guò)大，可適當(dāng)減低揚(yáng)程以進(jìn)一步提高電能利用率.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電揚(yáng)水蓄能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及其輸入輸出特性試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1）搭建了光伏發(fā)電揚(yáng)水蓄能照明綜合系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái). 依據(jù)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及太陽(yáng)輻照量和溫度條件，對(duì)系統(tǒng)日發(fā)電量與揚(yáng)水量特性、光伏泵系統(tǒng)揚(yáng)水效率特性和光伏方陣日發(fā)電量與蓄電池儲(chǔ)電量以及組件功率衰減情況進(jìn)行了測(cè)試分析.

2）在定揚(yáng)程24.8 m下，測(cè)試日光伏泵全天揚(yáng)水量隨日照時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，太陽(yáng)能平均輻照功率533.4 W，日出水量達(dá)13.1 m3，平均每小時(shí)出水1.93 m3；系統(tǒng)最大揚(yáng)水效率達(dá)12.7%，平均揚(yáng)水效率11.1%；全天三時(shí)段蓄電池充電儲(chǔ)能0.47 kWh，約占光伏方陣全天發(fā)電量8.4 kWh的5.6%左右，在該定揚(yáng)程下用于蓄電池充電儲(chǔ)能的占比較低，可適當(dāng)減低揚(yáng)程以進(jìn)一步提高電能利用率；系統(tǒng)采用多晶硅光伏組件功率年均衰減不大于3.1%，符合規(guī)范要求.

3）該光伏發(fā)電揚(yáng)水蓄能系統(tǒng)試驗(yàn)研究結(jié)果，可用于光伏水泵揚(yáng)水蓄能系統(tǒng)優(yōu)化配置，而對(duì)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)要求不高，工程計(jì)算簡(jiǎn)化，對(duì)利用太陽(yáng)能光伏水泵系統(tǒng)解決無(wú)電地區(qū)農(nóng)牧民人畜飲水與農(nóng)田灌溉問(wèn)題等具有一定的實(shí)用價(jià)值.