微型光伏水泵系统有无蓄电池和控制器的性能对比研究*

张剑钢, 杨康, 刘祖明, 廖华, 陈燕鹏, 昝锦羽

(云南师范大学太阳能研究所 云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650092)

光伏水泵亦称太阳能水泵，主要由光伏组件方阵、光伏控制器(或控制逆变器，针对交流水泵)和水泵组成.太阳电池方阵由多块太阳电池组件串并联而成，吸收日照辐射能量，将其转换为电能，为整个系统提供动力电源，日出而作，日落而歇，无需人员看管，不需要柴油、不需要电网，可与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本.

目前的主流水泵以大功率水泵和工业水泵为主，但对那些经济落后、偏远地区，且太阳能资源丰富的小户人家而言这两种系统将不再适用.云南很多地方都是分散小户，需水量不大，大型水泵系统就显得不是那么适用.为获得最大功率，大都选择最大功率跟踪器，而这种装置复杂、功率较大、成本也较高[1-4]，适用于用水量大的工业地区.光伏水泵系统分直流系统和交流系统，相对直流系统，交流系统还必须安装逆变器，其成本显得更高.

小型太阳能直流水泵，能较好满足在阳光充足、偏远无电力地区供水问题，同时该系统成本也较低.一般两到三年就可以收回成本，其经济效益高.设计微型光伏水泵系统，特别适合广大山区农村应用.广泛运用于生活用水、农业灌溉、林业浇灌、草原畜牧、景区喷泉、水处理工程等[5-6].但是，直接耦合光伏水泵系统[7]也有其缺点，比如：能量分散，间歇性大，地域性强，季节性差异大等.为了解决和改善这些不足，提高光伏水泵系统的实用性就需要配备一定的蓄电池(偏远无电区更为有效可靠)，最重要的是这种系统并不是始终用于抽水，不抽水时，配上蓄电池，夜间也可用于照明等需要.因此本文主要针对有、无蓄电池情况下，微型光伏水泵系统的性能测试研究[8].全面认识各自的特征和适用性.

1 研究区概况

云南省地处中国西南边陲，是一个辐照量丰富的地区.昆明地处云贵高原中部，市中心海拔1 891 m.据气象资料统计，昆明年均气温14.5 ℃，最热月(7月)平均气温19.7 ℃，最冷月(1月)平均气温7.5 ℃，年温差12～13 ℃.全年晴天较多，日照数年均2 445.6 h，日照率56%,有利于光伏水泵的推广应用.

2 试验方法

40 W光伏组件一块、光伏直流水泵一个、铅酸蓄电池一个、充放电控制器一个、水桶两只、水表一个、电路导线及接线头(插板、插座)若干.

太阳能资源尽管很丰富，但有时常波动和变化的不稳定特征.由此通过配备蓄电池和充放电控制器，来使光伏水泵保持连续、有效、稳定的工作.为了定量的认识有、无控制器的性能差异，增设一个没有配蓄电池和控制器的水泵进行对比试验，两种配置水泵工作时间相同，组件倾斜角都设为40度，方位角朝正南方向，扬程为4.25 m分别测量它们的工作电压、电流、功率及抽水量.

3 结果与分析

辐照度是光伏水泵主要的影响因素，除此之外衡量水泵性能的主要参数还有：流量、扬程、电压、电流和效率等，下面分别给出了部分参量随水泵一天工作时间的变化情况.

3.1 晴天有、无蓄电池的抽水情况

图1 8号水泵工作参数变化情况 图2 9号水泵工作电参数变化情况

水泵工作时间为9 h，8号不配蓄电池的太阳总辐射量是22.510 MJ/m2，9号配蓄电池辐射累计量为22.132 MJ/m2.水泵工作电压、电流及功率变化情况如上两个图所示.

图1所给出的是直接由光伏组件给水泵供电的各参数随时间变化特征.从图中我们可以看出早上和下午三者变化较大，其中电压和功率尤为显著.其中在早上9点半左右之后到下午三点半左右期间水泵工作参数较为稳定.电流、功率、电压分别能够保持在0.6～0.8 A、12～14 W、16～18 V之间.

9号的辐照度情况跟8号大体相当，因此作为对比试验有很好的参考性，图 2给出的是水泵9号一天的工作电压、功率、电流变化情形.配了蓄电池和控制器后工作电流有两个特征，一是波动小更加稳定；二是比直接用光伏组件供电的电流大.

图3 平均每分钟抽水量随时间的变化 图4 10号水泵工作电参数变化情况

图3给出的是各个时间段中，平均每分钟的水泵抽水的升数.水泵中午前后每分钟大致能抽3 L左右，但在早上和傍晚时有、无蓄电池的差别明显.我们可以发现不配蓄电池和控制器时早上和下午抽水量小，中午前后抽水流量大的特点.由于试验配置的组件偏大和控制器具有稳定功率输出特性，在福照度较大的时候(一般在午后)不配蓄电池抽水量较有控制器的会偏大些，但4点以后下降趋势很显著.配蓄电池和控制器后的流量更加稳定.两种配置一天的总抽水量为1 659.9L(无蓄电池)和1 743.8 L.

在晴朗天气，直接用光伏组件给水泵供电抽水有较大的优势，但从试验结果来看，8号辐照量略大于9号，抽水量却小于9号(配蓄电池).

3.2 多云有、无蓄电池的抽水试验情况

水泵试验时间仍为9 h，26号不配蓄电池的太阳总辐射量是15.431 MJ/m2，10号配蓄电池辐射累计量为11.008 MJ/m2.

图5 平均每分钟抽水量随时间的变化 图6 平均每分钟抽水量随时间的变化

10号的辐照度情况比26号低许多，但都属于多云天气情况，图4给出的是水泵10号一天的工作电压、功率、电流变化情形.配蓄电池和控制器后工作参数均保持相对稳定，也就是说配蓄电池和控制器能很好地消除云层遮挡的干扰.

两种配置一天的总抽水量分别为793.5 L(无蓄电池)和1 571.0 L(有蓄电池).由此可见蓄电池起到了一个较好的辅助作用，尽管26号辐照量比10号的低了很多，但抽水量确是10号的两倍之多.多云和阴雨天气在所难免，配蓄电池和控制器的优势得到了充分的体现.

3.3 单蓄电池的抽水试验情况

在只配置蓄电池的情况下，一天9小时的总抽水量为1 349.8 L.从前面数据中可知配蓄电池可以增加抽水量，同时能使水泵更加稳定的工作而不受光照辐射的短时间随机波动影响.这两点关系到水泵的长期工作性能，也就是说减小波动冲击有利于减少水泵出故障和延长或者增加水泵的工作寿命.

3.4 经济效益分析

以昆明气候为例，对无蓄电池的配置一天按9:00—15:00为光伏水泵额定工作时间，一年按300天计算(考虑多云、阴雨天气)，配蓄电池的一天按9 h额定工作、330 d计算，假设两种方式正常工作的抽水流量相同.每立方水泵抽水的价格[9]按0.4元/m3.根据前面的抽水量情况7小时水泵额定抽水量按1.7 m3计算.一年下来不配蓄电池抽水产生的综合价值为204元，配蓄电池的综合价值为288元.如果蓄电池按14 Ah，120元/个，控制器60元/个算，需要2.13年产生的经济效益就能与不配蓄电池成本持平.现在市场上免维护蓄电池的寿命有长达5～6年之久，因此配蓄电池在经济上是有可行性的.

4 结束语

(1)尽管每个地方的天气和气候有不同程度的差异，但总会有雨季，每个季节中也常常会有连续阴雨天气的情况.因此如果光伏水泵同时配备两种电源(光伏组件、传统电力)的话，就存在电路工作的切换和电缆用量增加，这样即没有充分发挥光伏水泵的优势又增加了扬水系统的成本.所以如果不配备蓄电池的话就很难应对连续阴雨的天气和雨季，配备蓄电池这个问题自然会迎刃而解同时可以降低组件的搭配功率，从而达到增强扬水系统的实用性和平衡成本的目的.

(2)不配备蓄电池的抽水量随着辐照量的变化具有明显的波动性，这样就不能保证日常的稳定用水的需求.配蓄电池不仅可以补偿多云和阴雨天气供电，同时能够避免由于短云遮阴给水泵间歇工作的冲击，因而对水泵的寿命有利.

(3)对于云南偏远落后的农村地区尤其是无电地区来讲，配蓄电池还可以部分解决照明用电问题.

(4)配置蓄电池从经济价值的角度和工作性能上的角度来看都有其可行的价值所在.

综上情况，配置蓄电池会增加投入成本，但从实用性的角度来看仍然是有现实性的，对于是否配蓄电池整体上可以考虑具体用水需求、经济条件和当地辐照量等具体情况而定.

参 考 文 献:

[1] 余世杰，何慧若，曹仁贤．光伏水泵系统中CVT及MPPT的控制比较[J]．太阳能学报，1998，19(4)：1-6．

[2] 赵建东，李晓武，雷霆．太阳能综合供电系统放电控制器设计[J]．太阳能学报，2005，26(5)：609-612．

[3] 苏建微．光伏水泵系统及其控制的研究[D]．合肥：合肥工业大学，2003．

[4] 陈维，沈辉，舒碧芬．光伏系统跟踪效果分析[J]．中国科学技术大学学报，2006，36 (4)：355-359．

[5] 刘伟，吴永忠，刘惠敏．太阳能光伏提水节水灌溉技术[J]．节水灌溉，2004 (5)：49-51．

[6] 程荣香，张瑞强．光伏提水技术在农作物灌溉上的应用[J]．可再生能源，2008，26(1)：72-78．

[7]ABDELMALEK M,ABDELHAMID M H,IFTIKHAR A R.Performance of a directly-coupled PV water pumping system[J].Energy Conversion and Management,2011,52(10):3089-3095.

[8] 亢旋．小型家用光伏水泵扬水系统的研究[D]．南宁：广西大学，2012．

[9] 陈鸣，周毅人．广东徐闻地区的光伏水泵扬水系统技术经济分析[J]．节水灌溉，2012 (12)：38-40．