作者：安徽颐和新能源科技股份有限公司    马志保

　　太阳能是一种取之不尽且清洁无污染的新能源，当前针对光伏并网和离网以及应用的产品也越来越多地出现了，人们对光伏产品的认知度有了空前的提高，特别是当前光伏电池组件性价比到了非常合适的地步，相关发电技术也在应用中日臻，系统建设成本显著的降低；然而，由于受限于相关政策的约束，光伏并网系统从建设到并网许可以及发电上网收费等环节都遇到很多困难，而离网或光伏应用产品则可以避开相关政策限制，光伏水泵系统就是其中一类光伏应用产品，是将太阳能电池阵列产生的直流电转换成机械能再转换为水功率，最后通过管道和储水系统将地下或地表水搬运到人们需要的地方，为缺电、无电地区，提供人畜饮用水以及草原、牧场或其它作物的灌溉用水；或为在人居密集区域的供水设施供水或提供动力，因此具有巨大的推广应用意义和社会价值。

　　系统的构成

　　光伏水泵系统主要由三部分组成：光伏阵列、光伏水泵驱动器、水泵以及管道和储水系统。

　　1光伏阵列：由多块太阳能电池组件组串构成，其吸收日照辐射能量将其转化为直流电，为整个系统提供动力电源；

　　2光伏水泵驱动器：将光伏阵列输出的直流电转换为交流电并驱动水泵，并根据日照强度的变化，实时地调节输出功率，

　　实现最大功率点跟踪，最大限度地利用太阳能。

　　3水泵：常规的为交流水泵和直流水泵，是将电能转换成机械能再到水势能的核心部件；

　　4管道和储水系统：为整个系统提供水传输途径和水势能存储，为后级供水系统提供合适的承压能量。

　　图1 光伏水泵系统构成 

    系统分类和性能比较

　　系统分类

　　根据水泵类型和电压、频率等参数，可分为：(1)按照水泵电机类型可分为：直流系统；交流系统；(2)按照水泵电机电压等级可分为：低压220Vac系统；中压380Vac系统；(3)按照水泵电机频率可分为：50Hz交流系统；60Hz交流系统；所以光伏水泵系统主要分为直流和交流系统，分别为：(1)光伏阵列→光伏水泵变换器→直流水泵→管道和储水装置；(2)光伏阵列→光伏水泵逆变器→交流水泵→管道和储水装置。[page]

　　交直流光伏水泵系统比较

　　交直流光伏水泵系统比较见如下表：

　　光伏水泵系统设计

　　以下将依据小功率交流光伏水泵系统进行设计

　　光伏阵列的选择

　　光伏阵列是光伏水泵系统的电源部分，其具有较强的非线性特征，最大输出功率受日照和环境温度等气象条件影响较大，所以选择不同规格的电池板进行组串组建光伏阵列时，需要考虑安装地点的日和年辐照度、光照时间、最佳倾斜角、环境温度、海拔等情况，同时进行计算光伏阵列的Voc（组串后的开路电压）和Vmp（组串后的最大功率点）均在逆变器宣称的范围内。

　　水泵的选型

　　在交流光伏水泵系统中，水泵是核心部件，其效率和工作特性直接影响光伏系统的效率；所以水泵的选型需要详细关注：(1)输出的功率P；(2)扬程H；(3)流量Q,即图3的参数；在设计时，依据需求流量Q查找对应的扬程H，再查找对应的水泵输出功率；即在一定的扬程下一定要保证流量，所以水泵的选型很关键；对于光伏用水泵而言，其工作频率会随着光伏阵列输出功率变化而变化，功率也会随之变化，所以还要考虑系统扬程阈值和水泵最小运行频率。

　　另外，对于小功率光伏水泵系统，鉴于其输入直流电压低，水泵功率小，也从成本上考虑，一般多采用220Vac/50Hz的水泵，大于5KW的项目多采用380Vac/50Hz水泵；

　   图3水泵H-Q和P-Q图 [page]

    光伏水泵逆变器的选择

　　在交流光伏水泵系统中，水泵驱动器（对于交流系统为水泵逆变器）也是核心部件，是起承上启下的作用，所选择的水泵逆变器应应具有如下性能和功能：

　　1 具备MPPT功能，即可实时检测并控制光伏阵列输出特性，使之按照最大功率方式发电；

　　2 水泵逆变器能有效控制水泵（马达和叶轮系统）进行变频变压，即V/F控制，使系统输出功率随光照变化并在启动时平缓、无冲击；

　　3 水泵逆变器需对外围设备进行管理和信息交互，构建控制和保护功能，如和直流汇流箱、流量计、水源水位传感器、储水装置的水位传感器、辐照度计等装置通讯；实现自动运行、无人值守、远程监控；

　　4 由于马达和叶轮系统组成的扬水系统一般会有30%的效率损失，因此水泵逆变器的过载能力也是重要指标。

　　5 考虑到安装成本和维护方便，逆变器应选择室外型、即IP65防护等级；同时考虑系统寿命和可靠性，尽量选择逆变器的散热系统为无风扇自冷散热方式，以提高核心部件的抗污染等级和对恶劣的环境适应性；

　　6 如前文所述，对于小功率光伏水泵系统，一般多采用220Vac/50Hz的水泵，系统输入直流电压值应不大于500Vdc，因此，选择的水泵逆变器应是采用600Vdc电压等级设计的系统，同时为满足电池组串的电压多样性，逆变器需在较宽的输入电压范围内工作，即选择的光伏水泵逆变器应加入BOOST升压电路，如图4；使系统在配置不同规格的电池板时均会稳定运行，特别是低电压高功率的光伏阵列时，系统能够稳定工作并可延长提水时间，提高日提水量。

　　另外，通过技术比对和测试，发现有通过修改室内安装型的通用变频器接口参数，来实现光伏水泵系统控制功能，但是其很难在可靠性和综合性能上和专门开发的光伏水泵逆变器相媲美，如无准确的最大功率点跟踪技术和较低的防护等级等。　　
 

图4 光伏水泵逆变器的系统功能图                [page]

    系统主要参数设计原则

    由于光伏水泵系统项目个性差异较大，影响其提水量的因素很多，如扬程、辐照度、海拔等，因此在设计时就要充分考虑每个部件的选型和配置，以及实际项目的测算，做到既能满足客户对用水量的需求，也不能因裕量过大造成设备利用率低和提高客户建设成本，因此项目需要在如下方面考虑和优化：

　　1 安装地点的选择；不同地点辐照度和日照时间不同，倾斜角也不同，因此需要获取准确的气象资料；

　　2 电池板的类型；薄膜的或晶体硅的电池板Voc和Vmp电压等级受温度的影响较大；电池板组串后直流电压值要为逆变器输入电压留有约0.9以下的裕量；

　　3 电池板的功率配置；为了获取良好的水功率，即保证用户对用水量的需求，所以一般按照1.2-1.5倍的系统输出功率对光伏阵列进行功率配置，目的是：当日照强度较好时，光伏水泵逆变器通过控制使得水泵在额定状态下运行，但此时光伏阵列并不是工作在最大功率点，且水泵也不会在过载状态下运行；当日照强度变弱时，逆变器可实时调整光伏阵列的工作状态，以保证水泵仍在额定状态下运行；当光照持续变弱时，水泵逆变器最终会寻得光伏阵列的最大功率点，通过此控制过程，使得系统在额定下运行时间延长并获取需要的提水量。一般是考虑日满载运行时间约4-6H为宜；

　　4 为获取满意的管道出水口的水功率，需考虑管道扬程损失和管道口径失配等问题，因此系统设计还应留有约30-50%的扬程裕量；

　　5 光伏水泵逆变器应该具有良好的弱功率工作特性；应具有加入动态V/f曲线控制特性，以适应不同类型的水泵，提高启动阈值和弱功率下的输出转矩。

　　6 选择合适口径的管道，保证水功率，管道中需加入止回阀，同时对于高扬程的系统还要考虑加入输出滤波电感，提高系统稳定性和安全性；

　　7 光伏水泵系统具有完善的保护机制，如自动打干识别、电机堵转、故障侦测、自动打干报警、低日照、输出短路故障、储水装置上溢/缺水故障、输出缺相等保护功能。

　　 光伏水泵系统应用

　　根据上述研究和技术要求，根据客户要求进行实际系统设计和测试并获得良好的系统数据；从2012年3月份安装运行以来运行良好，符合预计要求；其中2012年4月12日的运行数据见下图5，其提水量可达75.84m3 。

　　系统设计配置见如下表：

　　水泵逆变器选择了安徽颐和新能源专门开发的EHE-P2K2L型号，其采用IP65防护设计，PV 侧采用MC4端子直接接入，壁挂式安装简易，性能优异，外观见下图5；[page]

　　图5 CEHE光伏水泵逆变器

　　图6实测水泵系统数据

　　结论

　　综上所述, 在系统设计时通过要充分考虑系统的各个相关参数的匹配并要获取实际运行数据，也具有良好的示范效果，达到了设计要求，但是系统还是需要进行长期的经济性分析，进一步优化系统设计，并能通过获取更多的数据，形成一个准确的设计软件，提高系统设计准确性和便捷性；

　　先做好一个示范光伏水泵系统非常重要，因为只有一个成功的示范系统，才能用实际运行数据来推进技术科普，才能让人们认识光伏水泵系统；所以随着人们对光伏水泵系统的逐渐认知，以及相关技术日臻成熟、综合成本趋于合理，其未来市场必将巨大而广阔。