太阳能光伏水泵设计方案.docx

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太阳能光伏水泵设计方案

太阳能光伏水泵设计方案

摘要

光伏水泵亦称太阳能水泵，近年来它愈来愈被人们确认是当今世界上阳光丰富地区，尤其是缺电无电的边远地区最具吸引力的供水手段，利用随处可取、取之不竭的太阳能实现高经济性和高可靠性的供水。

水泵全自动地日出而作，日落而歇，无需人员看管，维护工作量可降至最低，是理想的集经济性、可靠性和环保效益为一体的绿色能源高技术产品光伏水泵系统是近若干年来迅速发展起来的光机电一体化系统，它利用太阳电池发出的电力，通最大功率点跟踪以及变换、控制等装置驱动直流、永磁、无刷、无位置传感器、定转子双塑封电机或高效异步电机或高速开关磁阻电机带动高效水泵，将水从地表深处提至地面供农田灌溉或人畜饮用。

从设计到制造涉及电气、机械、电力电子、计算机、控制等多个学科的近代技术，为发展现代农业、节能、环保等提供了极其良好的手段。

【关键词】太阳电池，控制器，电机水泵

Abstract

AlsoknownassolarPVwaterpumpwaterpump,inrecentyears,moreandmoreisknowntodaytobeSun-richregionsoftheworld,especiallythelackofelectricitymeansnowatersupplyinremoteareasofthemostattractive,desirableeverywhere,fromendlesssolarenergyhigheconomyandhighreliabilityofsupply.Pumpautomatictosunriseandfor,sunsetandbreak,withoutpersonnelcustody,maintenanceworkloadcanfelltominimum,isidealofseteconomicsexual,andreliabilityandenvironmentalbenefitforoneofgreenenergyhigh-techproductsPVpumpsystemisnearseveralyearstoquicklydevelopmentupoflightelectromechanicalintegrationsystem,itusingSunbatteryissuedofpower,passmaximumpowerpointstrackandtransform,andcontrol,devicedriveDC,andmagnet,andnobrush,andnolocationsensor,andStatorandrotorordoubleplasticmotorefficientasynchronouselectromotororswitchedreluctancemotordrivehighperformancepumps,waterfromthedepthsoftheEarth'ssurfacetothegroundforirrigationorlivestockconsumption.Involvedfromdesigntomanufacturingofelectrical,mechanical,electrical,electronic,computer,control,andmanyotherdisciplinesofmoderntechnology,tothedevelopmentofmodernagriculture,energy-saving,environmentalprotectionandothermeanstoprovideextremelygood.

【keywords】Solarbattery,controller,motorwaterpump

绪论………………………………………………………………………………………1

第1章光伏水泵的种类

1.1有刷直流光伏水泵………………………………………………………2

　　　1.2无刷直流光伏水泵……………………………………………………2

第2章光伏水泵的重要系数及构成

2.1光伏水泵系统的效率及特性……………………………………………3

　　　2.2光伏水泵的构成…………………………………………………………3

2.2.1光伏阵列…………………………………………………………3

2.2.2控制器……………………………………………………………3

2.2.3电机和水泵………………………………………………………4

2.4光伏水泵的效率及特性………………………………………………5

第4章光伏水泵系统控制器与控制策略

4.1光伏水泵系统MPPT控制器构成…………………………………………7

　　　4.2光伏水泵系统控制策略的设计…………………………………………7

致谢………………………………………………………………………………8

参考文献　………………………………………………………………………………9

绪言

光伏水泵亦称太阳能水泵，他的基本原理是利用太阳能电池将太阳能直接转变为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从江河，湖，井等水源提水。

从设计到制造涉及电气、机械、电力电子、计算机、控制等多个学科的近代技术，为发展现代农业、节能、环保等提供了极其良好的手段。

本系统具有良好的长效经济性，特别是和常见的柴油机抽水相比较，具有压倒的经济性优势。

发展这种新型环保节能产品无疑将会对发展产业、发展经济，特别是发展干旱地区的现代农业，带来巨大良好的经济效益和社会效益，它特别符合建设“资源节约型”及“环境友好型”社会的发展战略。

光伏水泵利用太阳能，在无需任何外来能源的情况下可以机动灵活地用于农田灌溉、提供洁净人畜饮水、发展庭院经济、美化园区、构造彩色喷泉、为养鱼、养虾池增氧、海滨盐场供排水等。

此外大量国际订货意向表明，这种高技术产品的国际市场前景令人十分鼓舞。

光伏水泵系统作为一个刚刚崭露头角的产业，十分符合我国可持续发展的战略。

有刷直流光伏水泵：

水泵工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随着电机转动的换向器和电刷来完成，只要电机转动碳刷就会产生磨损，电脑水泵运行到一定的时候，碳刷磨损间隙变大，声音也会随之增大，连续运行几百小时之后碳刷就不能起到换向的作用了。

第一章光伏水泵的种类

1.1有刷直流光伏水泵

有刷直流光伏水泵：

水泵工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随着电机转动的换向器和电刷来完成，只要电机转动碳刷就会产生磨损，电脑水泵运行到一定的时候，碳刷磨损间隙变大，声音也会随之增大，连续运行几百小时之后碳刷就不能起到换向的作用了。

优点：

价格低廉。

1.2无刷直流光伏水泵

无刷电机式光伏水泵：

电机式无刷直流水泵是采用无刷直流电机加上叶轮之后组成的。

电机的轴与叶轮连在一起，水泵的定子和转子之间是有间隙的，使用时间长了水会渗透进入电机里面电机很容易烧坏。

优点：

无刷直流电机已标准化，有专门的厂家大批生产，成本比较低，效率高。

无刷直流磁力驱动光伏水泵：

无刷直流水泵采用了电子组件换向，无需使用碳刷换向，采用高性能耐磨陶瓷轴及陶瓷轴套，轴套通过注塑与磁铁连成整体也就避免了磨损，因此无刷直流磁力式水泵的寿命大大增强了。

磁力隔离式水泵的定子部分和转子部分完全隔离，定子和电路板部分采用环氧树脂灌封，100%防水，转子部分采用永磁磁铁，水泵机身采用环保材料，噪音低，体积小，性能稳定。

可以通过定子的绕线调节各种所需的参数，可以宽电压运行。

优点：

寿命长，噪音低可达35dB以下，可用于热水循环。

电机的定子和电路板部分采用环氧树脂灌封并与转子完全隔离，可以水下安装而且完全防水，水泵的轴心采用高性能陶瓷轴，精度高，抗震性好。

第二章光伏水泵的重要系数及构成

2.1光伏水泵系统的效率及特性

   系统效率ηsys可以是瞬时系统效率，也可以是小时平均系统效率，日平均系数效率，月平均系统效率，季度平均系统效率，年度平均系统效率等。

计算这些效率时要注意在上述定义公式中，分子与分母所选的积分限为相同的小时、日、月、季度或年，而常易混淆的是诸如把日平均效率看成是小时平均效率的算术平均值，或把月平均效率看成是一月内各天日平均效率的平均值。

    光伏水泵系统的日扬水量受天气（主要是日照）的影响很大，很难给出具体结果，只能根据某一具体时日的具体日照分布给出相应的系统工作状况。

2.2光伏水泵的构成

光伏水泵系统大致由四部分组成：

光伏阵列，控制器、电机和水泵。

2.2.1光伏阵列

光伏阵列由众多的太阳电池串、并联构成，其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。

目前用于光伏水泵系统的太阳电池多为硅太阳电池，其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。

太阳电池的伏安特性曲线如图：

所示。

它具有强烈的非线性。

太阳电池输出的最大功率就是它的额定功率。

图：

中曲线上的大圆黑点表示在相应日射下太阳电池输出最大功率的位置，称“最大功率点".光伏阵列的伏王特性曲线具有和单体太阳电他同样的形状，若忽略单体太阳电池生产过程中的差异、组件相互之间的连接电阻，吕附设它”具有理想的一致性光伏阵列的伏安特性曲线可以看作仅是单体太阳电池伏安特性曲线按串、并联方式放大其坐标的比例尺。

2.2.2控制器及变频逆变器

光伏阵列的输thtr乎特性曲线具有强那朔）线他而且和太阳辐照度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件有密切关系，其输出随日照而变化的是直流电量，而作为光伏阵列负载的光伏水泵，它的驱动电机有时是直流电机，有时是交流电机甚至还有其它新型电机，它们同样具有非线性性质。

在这种情况下要使光伏泵系统工作在）、较理想的工况，而且叉，于任何日照，都要发挥光伏阵列输出功率的最大潜力，这就要有一个适配器，使电肋负载之间能达至“和、皆、高效、稳定的工作状态。

适配器的内容主要是最大功率“点跟踪器、逆变器以及一些保护设施等。

光伏阵列通过最大功率点跟踪器以后的输出是直流电压，如果水泵所用驱动电机是直流电动机，当然就可以在二者电压值相适配的情况下直接连接，电动机将带动水泵旋转扬水，例如美国Solarjack公司早年的安静产品就是这样。

由于直流电动机的造价一般较高，还需要定期维护或更换其电刷，近若干年来，由于新型调速控制理论及功率电子器件、技术的进步，使交流调速技术有了长足的发展，其效率已逐步赶上直流电动机，而其使用的方便性和牢固性却远远超过直流电动机，因此有刷直流电动机的驱动方式渐呈被淘汰之势，而取而代之的主要是高效率的三相异步电动机及直流无刷电动机，也偶有采用永磁同步电动机或磁阻电动机的。

后几种电动机的驱动都要靠专用的变频装置或相应的电力电子驱动电路。

：

这里以三相异步电动机的驱动为例说明其驱动的基本原理。

交流驱动一般情况下可分为正弦波驱动和方波驱动（含阶梯波驱动）两大类。

如果是功率较小的光伏水泵系统（300W以下），通常都都以方波驱动为主；而当功率较大时为了限制其谐波损耗，一般采用正弦波驱动。

不管采用何种驱动，其基本电路结构都可分为以下四部分，即：

（1）开关电源：

开关电源部分的作用顾名思义，就是为控制器提供电源。

我们所说的控制器一般情况下都是需要士5V或＋12V等控制电源，而太阳电池阵列的输出电压在绝大部分情形下是不可能直接为此所用，因此