[科普中国]-太阳能扬水和照明综合应用系统

系统简介

纵观全球，人口的快速增长和工业化程度的不断提高带来的能源短缺和环境污染问题己成为当今世界共同面临的严峻问题。积极开发新能源，保护人类生存环境也引起了世界银行，全球环保机构以及包括各国政治首脑在内的能源主管部门的极大关注。开发新能源，使用替代能源和开发利用空间资源已成为在社会、环境和可持续发展推动下的必然措施。在这种形式下，太阳能光伏技术也进入了快速发展的阶段。光伏扬水系统的数量在近年来迅速增长，特别是在非洲，南美，澳洲及亚洲各国的增长幅度相当大。目前，世界银行和联合国共同推荐光伏扬水作为解决边远地区人畜引水和农业灌溉问题的首选技术。光伏扬水与照明综合系统将传统分别独立的光伏扬水和光伏照明系统合而为一，不仅具有无噪音、无污染、全自动和高可靠性等优点，还使得太阳能光伏阵列输出的电能得以合理的应用，有效的节约了能源。

系统构成光伏扬水与照明综合系统的结构构成如图1所示，它一般是由光伏阵列、变频器、电机水泵和蓄电池组构成的。该系统的控制可以分为三部分，即MPPT（最大功率点跟踪）控制，DC/AC变频控制和充放电控制。它主要实现的功能有：在阳光充足的白天为电机水泵负载提供最大限度的功率输出；而在阳光欠充足的清晨或傍晚时以最大限度的功率提供给蓄电池组充电；在没有阳光的黑夜，具有充足电能的蓄电池组将为照明负载提供稳定持续的直流电源。

图2示出了光伏扬水与照明综合系统的电路原理图。该系统的各个功能之间的切换由开关SW1和开关SW2来实现。

光伏阵列目前，光伏市场的太阳能电池多为单晶硅太阳电池，多晶硅的市场份额正在逐年增长，非晶硅虽然也占有一席之地，但其市场份额只有百分之十几。太阳电池的输出伏安特性具有强烈的非线性，而且和日照强度，环境温度，阴雨，雾等许多气象因素有关，当环境保持不变时，其输出工作区域包括具有高阻特性的电流源区域，也包括具有低阻特性的电压源区域。考虑到实际应用系统负载的变频器一电机—水泵及蓄电池—照明的特性，一般只将光伏电池用作电压源，而具有高阻特性的电流源成为不稳定工作区域。在选择了系统的电压等级及装机容量以后，光伏电池即可分为若干组并联连接，如图2所示。

MPPT控制根据太阳电池的工作原理，当光照强度，温度等自然条件改变时，太阳电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。在实际的应用系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的应用带来了困难。另外，光伏扬水系统的负载电机可能是直流电机，也可能是交流电机或其它新型电机。正是由于诸多的难以预知因素影响着光伏阵列的输出，使得实际系统中必须有一个适配器，来保证电源和负载之间的和谐，高效，稳定的工作状态。MPPT（最大功率点跟踪）控制器即为满足以上要求的适配器。不仅如此，它还可以使光伏扬水与照明综合应用系统在任何日照强度下都能工作在最优状态。它的主要功能是：检测主回路直流侧电压及输出电流，计算出太阳电池阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪；实现特殊的保护功能如欠电压，过负荷，过低负荷，井水打干等。

变频装置近年来，由于新型的调频调速控制理论及功率电子元件的发展，使交流调速的效率及可靠性逐渐赶上了直流电机。传统的有刷直流电动机也逐渐被三相异步电动机和直流天刷电动机所淘汰。在实际中应用的电动机是专门设计的变频调速三相异步电动机。因而DC/AC变频装置成为必不可少的组件。考虑到风机水泵类负载，该变频装置中采用了VVVF的调制方法。

充放电控制器当太阳光照强度减到一定时候，光伏阵列的最大输出功率已经无法继续驱动水泵抽水，主控制器将切换SW1状态来启动充电控制电路，对铅酸蓄电池组进行充电，而当光伏阵列的输出电压降至零值即天黑时，主控制器将闭合放电开关SW2，启动照明负载。该充电控制电路不仅要完成光照欠强条件下的最大功率点搜索及产生相应的PWM驱动充电开关T7，同时还要完成铅酸蓄电池组的充电状态（SOC）检测及与蓄电池组有关的保护措施。

应用领域迄今为止我国仍有2800多万无电人口，分散居住在边远落后的贫困地区。由于能源短缺，至今没有解决引水和灌溉问题，特别是西北地区，由于气候干旱，土地荒漠化，草原退化的情况越来越严重，生态环境日益恶化，严重阻碍了农村经济的发展。西北地区地下水资源丰富，但利用率不高。主要原因是缺乏电力供应。同时西北地区的太阳辐射强，日照时间长，太阳能资源非常丰富。因此，利用太阳能光伏扬水与照明综合系统开发丰富的地下水资源，解决这些贫困无电地区的饮水，农牧业用水及照明问题，是一条既经济又可行的途径。

实际应用1999年10月及11月，两台2.5kw太阳能光伏扬水与照明综合应用系统分别安装在清华大学校园和新疆石河子市北泉镇。到目前为止一直运行良好。实测的数据表明在晴天条件下，全年平均日出水量为60m3以上，在日照强烈时，可达80m3以上。图3及图4示出了1999年10月7日清华大学示范现场实测日照功率分布曲线和水泵流量曲线。在新疆石河子地区安装的系统平均每小时出水10m3以上。不仅解决了当地农田灌溉的问题，而且也产生了良好的示范作用。

推广前景我国是以煤炭为主要消费能源的国家。较之以油、气为主的能源消费主流，能源结构很不合理。在相当长的历史时期，我国曾把发展能源、交通作为国民经济的发展重点，对能源资源过度的开采和粗放型使用，不惜以环境污染作为代价，试图突破能源和交通对国民经济的制约，致使我国现在的能源开发面临着极大的挑战。
我国太阳能光电技术自70年代以来，经过“六五”、“七五”、“八五”三个五年计划攻关，有了一定的发展。全国现有太阳能电池生产厂家6家，年生产能力为4.44MW，实际的销量为2.0-2.5MW，平均以15%－20%的速度增长。产品主要为单晶硅光电池和非晶硅电池，其他类型光电池目前还处于研制阶段。单晶硅太阳电池转换效率以达14%，实验室最高为20%。单结非晶硅太阳电池的稳定效率为5%－5.5%，实验室最高效率为8.35%。
到目前为止，我国太阳能光电系统的总安装容量在10MWp以上，多数用于交通信号、通信和阴极保护等方面，约占60%以上，其余用于我国西部阳光资源丰富的边远地区。实践证明，光伏技术在我国偏远无电地区（特别是西部）应用推广具有特殊的作用。1982年在甘肃榆中县建成第一座10kWp光伏电站，为200余户农民提供照明用电；1992年，新疆巩留县城示范区全部采用太阳能光伏电源供电，迈出了利用太阳能消灭无电状况的第一步。青海省从1986年以来已经推广2.1万套户用光伏系统，而1990年以来己建成6个村庄电站；西藏自治区木刻前已建和计划建光伏电站共6座，其中1998年12月扩建成功的安多光伏电站，总装机容量100kWp，是我国目前最大的太阳能光电工程。

此外，户用光伏系统（多在50Wp以下）在全国已推广10万套以上。世界银行通过全球环境基金（GEF）项目向中国贷款和捐款，用于中国太阳能光电的示范和市场开拓，目的是在中国西部地区推广20万套（约10MWp）的户用光伏系统。这一项目在国家经贸委的组织下已经开始执行。根据国家1996-2000年太阳能光电发展计划，我国2000年和2020年的太阳能光电总容量分别达到66MWp和300MWp。
以上的事实说明我国对太阳能的利用刚进入起步阶段，潜力很大，特别是我国地域广袤，太阳能资源丰富，开发利用太阳能的空间广阔，必须重视其开发利用，为今后我国的能源提供更多的选择。