日照能量优化利用的光伏水泵系统

协鑫集团设计研究总院 ■ 谢磊邓伟

日照能量优化利用的光伏水泵系统

协鑫集团设计研究总院 ■ 谢磊*邓伟

提出了一种能量优化利用的光伏水泵系统，建立了系统数学模型，并通过仿真工具对日照强度及系统扬程对光伏水泵的系统效率及出水量的影响进行了仿真分析，最后给出了提高系统日出水量的日照能量优化利用原则。

光伏水泵系统；数学模型；系统效率；出水量

0 引言

无电地区的供水问题成为制约当地经济发展的重要原因[1,2]，光伏水泵因其经济、环保等优点成为了供水的优选方案。然而，由于受到成本等因素的限制，大部分光伏水泵系统中未配置储能电池，这意味着当日照能量低于某一阈值时，光伏水泵的出力会因为满足不了静扬程所需功率而导致无法出水，降低了光伏水泵的利用率，也造成了日照能量的浪费。本文基于能量优化利用的思想，通过对光伏水泵系统进行建模和仿真，对日照强度、系统扬程对光伏水泵系统效率和出水量的影响进行分析，总结出提高系统效率和出水量的能量优化利用原则。

1 系统构成

图1为本文提出的能量优化利用的光伏水泵系统，其由光伏阵列、MPPT光伏水泵控制器、水泵切换装置、水泵系统、流量传感器组成。水泵切换装置根据流量传感器返回的流量数据对水泵1和水泵2的工作进行控制。

图1 能量优化利用的光伏水泵系统

2 数学模型

2.1 日照强度分布模型

本文采用的日照强度分布模型[3]为：

式中，Gm为峰值日照强度，W/m2；T为每天的总日照小时数；t为一天中的某一日照时刻。

2.2 光伏阵列模型

光伏阵列的模型可描述为[4]：

式中，Isc为光伏组件的短路电流，A；Voc为光伏组件的开路电压，V；ΔI为由于日照及温度变化所带来的电流增量，A；ΔV为受日照、温度变化及串联体电阻Rs所造成的电压增量，V；C1、C2为相关系数。

2.3 离心泵与管路模型

离心泵的H-Q特性曲线可表示为[5,6]：

式中，H为系统扬程，m；Q为流量，m3/h；a、b、c为模型参数。

管路的H-Q特性曲线可描述为：

式中，Hp为水泵系统的扬程，m；H1为系统扬水高度，m；kp为管路系数。

3 实验和仿真

3.1 实验

为便于进行仿真分析，本文选用了R95-DF-04和R95-BF-06两种规格的离心泵[7]，并根据实验所测得的数据对其H-Q特性进行了曲线拟合，所得的拟合系数如表1、表2所示。

表1 R95-DF-04的拟合系数

表2 R95-BF-06的拟合系数

利用Matlab工具和表1、表2中的拟合系数，可得到如图2a、2b所示的H-Q特性拟合曲线。从图2中可看出，拟合曲线与实测数据点吻合程度很好，拟合系数可用于光伏水泵的建模。

图2 H-Q特性拟合曲线

3.2 仿真

本文采用Simulink建立了如图3所示的系统仿真模型，并基于此模型对R95-DF-04水泵系统、R95-BF-06水泵系统、复合水泵系统(R95-DF-04和R95-BF-06可切换)进行了不同日照强度、扬程、切换日照强度下的系统效率和日出水量的仿真分析。

图4a、4b分别是在不同扬程下，R95-DF-04水泵系统、R95-BF-06水泵系统和复合水泵系统在最高日照强度Smax=1000 W/m2下，切换日照强度为800 W/m2的系统平均效率和日出水量的仿真结果。

图3 光伏水泵系统的仿真模型

图4 3种水泵系统的系统效率和日出水量

由图4a可看出，当扬程低于14 m时，R95-DF-04水泵系统的系统效率高于R95-BF-06水泵系统；复合水泵系统的系统效率在扬程低于17 m时，均高于R95-BF-06水泵系统，并且几乎在全扬程范围内，复合水泵系统的系统效率均优于R95-DF-04水泵系统。

由图4b可看出，3种水泵系统的日出水量与水泵系统效率的规律类似。因此，可以以日出水量作为评判水泵系统性能的标准。

图5为在最高日照强度Smax=1000 W/m2下，不同切换日照强度(800 W/m2和600 W/m2)时的复合水泵系统日出水量的对比。

由图5可知，当扬程低于10 m且切换日照强度为600 W/m2时，可获得比切换日照强度为800 W/m2时更多的日出水量；当扬程高于10 m时，情况恰恰相反。

图6为最高日照强度Smax=700 W/m2、复合水泵系统切换日照强度为600 W/m2时，3种水泵系统日出水量的对比。

图5 不同切换日照强度下的日出水量对比

图6 Smax=700 W/m2时的日出水量

由图6可知：1) 3种水泵系统的最高出水扬程及日出水量相较于最高日照强度Smax=1000 W/m2时的情况，均有明显下降。2) R95-DF-04水泵系统在扬程低于6 m时，日出水量高于R95-BF-06水泵系统。而复合水泵系统则在扬程低于9 m时，有高于R95-BF-06水泵系统的出水量；且在全扬程范围内，复合水泵系统的日出水量均优于R95-DF-04水泵系统。

4 结论

本文对光伏水泵系统进行了数学建模，以不同的系统扬程为前提，将最高日照强度、不同切换日照强度对3种不同类型光伏水泵系统的系统效率、日出水量的影响进行了仿真分析，最终得出以下日照能量优化利用的原则：

1) 当最高日照强度一定时，系统扬程对水泵系统的系统效率和日出水量有十分明显的影响。当扬程确定时，应选择对应于与此扬程下的具有更高系统效率或日出水量的水泵系统。

2) 复合水泵系统在全扬程范围内，均可获得优于R95-DF-04水泵系统的日出水量；与R95-BF-06水泵系统相比，则需要根据扬程大小进行合理选择。

3) 不同最高日照强度对3种水泵系统的最高日出水量所对应扬程阈值的影响也十分显著。Smax=1000 W/m2且当扬程低于8 m时，R95-DF-04水泵系统日出水量最大；当扬程介于8 m与17 m之间时，复合水泵系统日出水量最大；当扬程高于17 m时，R95-BF-04水泵系统日出水量最大。而在最高日照强度Smax=700 W/m2时，上述扬程阈值点分别下降至6 m和9 m。

4) 当最高日照强度确定时，不同扬程、不同切换日照强度对复合水泵系统的最高日出水量也有一定影响，应根据扬程所在区间合理选择不同的切换日照强度以优化日出水量。

[1] Woodhoo A, Iruarrizaga-Lejarreta M, Beraza N, et al. The feasibility study of solar irrigation: Economical comparison between diesel and photovoltaic water pumping systems for different crops[J]. International Conference on Electrical Information & communication Technology, 2014, 7(1): 1－5.

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2016-10-25

谢磊 (1981—)，男，博士、高级工程师，主要从事太阳能光伏发电技术方面的研究。spray_xl@163.com