小型移动式光伏水泵试验台的设计

◎ 梁国珍，杨丽彦，高小梅

（1.郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001；2.河南工业大学，河南 郑州 450001；3.河南机电职业学院，河南 郑州 451100）

郑州地区太阳能资源较为丰富且比较稳定[1]，具有很好的应用前景。然而，经查国内外期刊数据库，郑州地区光伏水泵系统的研究与应用鲜有报道。因此，本文针对郑州地区的日照条件展开设计了一种小型移动式光伏水泵试验台，旨在探索郑州地区推广应用小型光伏水泵系统的可行性，探讨小型光伏水泵系统在郑州地区的应用条件和推广价值。

1 小型移动式光伏水泵试验台的设计思路

小型光伏水泵系统中，控制器体积比较小、安装布置方便[2]，所以小型移动式光伏水泵试验台的结构设计应重点考虑光伏阵列和电机水泵总成的安装与布置。光伏阵列由光伏组件串并联而成，光伏组件的主要结构特点是表面积较大、尺寸不一，例如单块HSL72P6-PC-1-32光伏组件的尺寸可达1972 mm×992 mm×40 mm。此外，为了正对太阳光照从而获取最大辐射强度，光伏组件的方位角和倾角应连续可调或者能够自动追日[3]。为满足小型光伏水泵试验台的移动式要求，需要将小型电机水泵总成浸没在水箱中[4]。然而，市面上的小型电机水泵总成外廓尺寸各不相同，例如M4810T-120型电动离心泵和螺杆泵要求适用井径大于150 mm；3DS-14型电动潜水泵要求适用井径大于310 mm；本文选用的3DS-4-0030-100型电机水泵总成要求适用井径大于290 mm。

根据上述光伏组件和电机水泵总成结构尺寸的分析，本文选用的SSL56P36-35光伏组件、3DS-4-0030-100型电机水泵总成[5]，开展小型移动式光伏水泵试验台的结构设计与搭建，主要设计思路与要求为：①充分考虑大多数小型电机水泵总成的外廓尺寸，设计并选用体积较小、便于安装布置的水箱，以完全浸没电机水泵总成、满足正常泵水为标准判定是否适用。②根据装满水的水箱、电机水泵总成、光伏组件的总质量合理选择水箱支撑架的材料，设计支撑架构件的外形和尺寸，要求各个构件采用螺栓连接，由此使得加工、组装、拆卸方便。③在水箱支撑架的基础上，设计光伏组件安装架，要求光伏组件安装架的尺寸和倾角在一定范围内可以连续调整。④预留控制箱位置，并进行适当的水电隔离。⑤选择、安装万向脚轮和手推柄，以满足试验台小车移动行走需要。

2 水箱的选型

由于市面上大多数小型电机水泵总成的外形轮廓为细长圆柱体，加之要防止行走移动过程中溅水打湿控制线路，本文将水箱设计为上部缩口的圆柱型来浸没电机水泵总成，如图1a所示。为便于户外实验和推广展示，要求尽可能减小水箱的体积。水箱的体积应根据水泵的流量进行计算确定，水泵的体积泵水量公式（1）计算。

式（1）中，V为水箱体积，单位：m3；Q为水泵额定流量，单位：m3·h-1；t为时间，单位：h。

就选定的3DS-4-0030-100型电机水泵总成而言，其额定流量Q=0.3 m3·h-1，则满负荷工作1 h所需的体积泵水量为V=Qt=0.3 m3·h-1×1 h=0.3 m3。因此，本文将图1a所示的水箱圆柱部分体积设定为0.3 m3，即300 L。

在水箱圆柱部分体积确定的情况下，接下来需要考虑电机水泵总成的适用井径和高度。为适应市场上大部分厂家的小型电机水泵总成的适用井径要求，以及方便吊装电机水泵总成进出水箱，需要较大的水箱缩口直径，这就要求水箱的缩口直径应在400 mm左右，而其圆柱部分的直径应大于400 mm。本着轻量化便于运输的原则，本文根据0.3 m3的圆柱体积要求和400 mm的缩口直径要求，初步选定了市场上在售的PT300塑料水箱，如图1b所示。PT300塑料水箱的圆柱直径为D=705 mm，圆柱垂直高度h=770 mm，缩口直径d=450 mm，总高H=925 mm，其圆柱部分的盛水体积为V=πD2h/4=0.300 6 m3。

图1 设计的缩口型圆柱水箱与PT300水箱实物图

因此，PT300塑料水箱完全可以浸没3DS-4-0030-100型电机水泵总成，达到设计要求。PT300水箱采用原生塑料，在太阳光下老化较慢，厂家设计的使用寿命为5年。此外，PT300塑料水箱的上部和下部分别有进水口和排水口，进水口加装接头后可将电机水泵总成的出水回收到水箱内，可以满足更大流量电机水泵总成的实验需要。

3 水箱支撑架与控制箱的设计

根据前述PT300塑料水箱的结构尺寸，本文设计的水箱支撑架如图2所示，具体尺寸数据：长750 mm，宽750 mm，高1 000 mm。为防止电机水泵总成触底而压坏水箱底部，在图2的水箱支撑架顶部加装了两根角铁，用于吊起浸没于水箱中的电机水泵总成，从而起到加强试验系统稳定性的目的。

图2 水箱支撑架与控制箱的设计图

为便于布线，本文在图2的前端设计了一个长300 mm、宽750 mm、高600 mm的长方体箱架作为控制箱。箱架主要用来安装和放置控制器、温度计、辐射仪、电流表、电压表、压力表、流量表和蓄电池等。出于承重较轻的考虑，箱架底部铺设了280 mm×720 mm的花纹板。为防止电机水泵总成扬水过程中的水溅到控制箱而打湿控制器等仪表，本文在控制箱与水箱支撑架的连接面以及控制箱的上表面铺设了防静电复合胶板，也起到挡水板的作用。当然，也可以考虑在箱架的其余三个面上装合页和门，由此形成一个封闭的控制箱。

由于水箱支撑架和控制箱需要承载水箱、300 L水、电机水泵总成、光伏组件及蓄电池等附属部件的质量，是小型光伏水泵试验台的主要承力部件，所以选定的型材为角铁L40X40/Q235-A，并在底部加装加强筋。

4 光伏阵列安装架的设计

出于成本和实用性考虑，本文设计的光伏组件安装架的倾角调整不考虑自动追日装置，采用人工调节方式。郑州市主城区位于北纬34°14′～35°54′。对于冬至日发电量最大的情况，采用所在纬度加11°的组件水平倾角，约为45°14′～46°54′，则光伏组件安装架的最大倾角为46°54′。对于夏至日发电量最大的情况，采用所在纬度减11°的组件水平倾角，即23°14′～24°54′，则光伏组件的最小倾角为23°14′。基于以上分析，光伏组件倾角的理论可调范围在23°14′～46°54′，即可满足郑州地区的实验要求。为便于向郑州周边地区推广和应用，增大设计冗余度，本试验台的光伏组件的实际倾角角度设计为18°～51°连续可调。

在水箱支撑架的基础上，本文设计的光伏组件安装架如图3所示。可以看出，光伏组件安装架分为两组架盘，分列于水箱支撑架的两侧。架盘长1 800 mm（实际使用1 666 mm），宽500 mm（实际使用400 mm），架盘材质采用角铁L30X30/Q235-A。以选定的SSL56P36-35光伏组件为例，该组件长780 mm，宽350 mm，则每个架盘可布置2块SSL56P36-35光伏组件。两组架盘的下方采用一根长1 800 mm的六分管活动连接于支撑架的前端，六分管两端加锁销定位。架盘上部下方有与架盘成90°的连接杆，连接杆长780 mm，在连接杆上开有长350 mm、宽10 mm的滑道。与此对应，水箱支撑架的两翼布置了光伏阵列安装架的托架，托架外侧角铁的中部开有长350 mm、宽10 mm的滑道。上述两组滑道交叉连接，并采用蝶形螺母固定，通过滑道手动调节，即可实现光伏组件安装架在18°～51°范围内的倾角连续可调。

图3 光伏组件安装架和控制箱的布置图

由于市面上各类光伏组件尺寸不一，考虑到光伏组件安装架的广泛适用性，本文对上述两组架盘进行了冗余设计。如图4所示，伸缩式光伏组件架盘的设计思路为：每一组合架盘（b）由两个对称的半架盘（a）通过螺栓连接组成，通过在半架盘上开滑道来实现长度方向上405 mm～1 800 mm范围内的任意可调，宽度方向上380 mm～440 mm范围内的任意可调，从而使该架盘适用于市场上大多数光伏组件的尺寸。通过该冗余设计还可以在两组光伏组件安装架之间布置一块尺寸在1 200 mm×750 mm以内任意尺寸的固定倾角（郑州地区41.72°）的光伏组件。

图4 伸缩式光伏组件架盘图

5 脚轮和手推柄的布置

为了短距离移动和调整光伏阵列的方位角，本文在上述小型光伏水泵试验台框架设计的基础上加装脚轮和手推柄。4个脚轮分别位于水箱支撑架的后部和控制箱的前部。考虑到试验台自重、电机水泵总成、盛满水后的水箱以及光伏阵列的总质量，4个脚轮采用载重尼龙工业轮。如图5所示，前轮为定向轮，后轮为万向轮并加装刹车。弧形设计的脚轮轮面与地面摩擦力小，推拉轻便、省力；脚轮中轴为实心圆轴，万向轮底部轴承为双面压力轴承，较为耐用，既可以保证实验平台稳定性，又可以满足移动行走需要。为了方便试验台横向移动、调节光伏阵列的方位角，本文在水箱支撑架的后侧，距底面高900 mm处增设了长150 mm、宽600 mm的手推柄。

6 小型移动式光伏水泵试验台的整体结构

经过上述各个主要组成部件的设计和布置，水箱内吊装3DS-4-0030-100型电机水泵总成的小型移动式光伏水泵试验台（小车）三维模型如图5所示。该试验台的材料主要采用角铁L40X40/Q235-A、角铁L30X30/Q235-A、六分管等标准型材，各个组成部件的主要尺寸如图6所示。

图5 小型移动式光伏水泵试验台的三维模型图

图6 小型移动式光伏水泵试验台三视图

7 结语

本文详尽描述了小型光伏水泵系统试验台的设计思路、设计结构及参数，具有稳定、可靠、结构简单，成本低等优点。该试验台全部采用螺栓连接，使得试验台的制作、安装和拆卸简易方便。为查明郑州地区推广应用小型光伏水泵系统的可行性，为郑州地区推广应用小型光伏水泵系统提供有价值的参考依据。