[科普中国]-太阳能水泵

系统组成光伏阵列

主要是将太阳的光能转化为电能，给负载水泵电机提供工作电力。

光伏扬水逆变器或控制器对太阳能水泵的运行实施控制和调节，用太阳能阵列发出的电能驱动水泵，并根据日照强度的变化，实时地调节输出频率,使输出功率接近太阳电池阵列的最大功率。

马达(驱动电机)在不同系统中使用的驱动电机也不同。目前在小于10阅Np功率等级的光伏水泵系统中,为获得尽可能高的系统效率,多采用直流无刷永磁电机驱动,在大型光伏水泵系统中,到目前为止仍不乏采用交流异步传动方式者,但是由于近代控制技术的不断发展,为了进一步提高单位峰瓦提供的扬水量,己经开始有被多台水泵实现柔性控制的多机群控技术所替代的趋势。

水泵对于光伏水泵系统而言,水泵类型的选择同样至为重要。在功率不大的系统中,若用户要求扬程高但流量较小的情况下,宜选择容积式正位移水泵,在其它情况下可能以采用离心式或轴流式水泵。关于光伏水泵系统配用泵型的选择与考虑。

水塔及储水设施如果光伏水泵系统应用于冬季寒冷地区(如我国广大西部地区),则宜采用防冻储水设施,例如中间抽真空或实以绝热材料的双层水箱或水塔,引水管道亦应采用抗低温材料并作防冻处理。1

水泵的分类及特点交流异步电机驱动水泵较大功率(比如说,功率大于10KW或更大时)的光伏水泵系统中,驱动电机仍不乏采用三相交流异步电机者,其中异步电机通常采用湿式护套绕组,由于槽满率低的结构特点,其效率通常较同等功率的直流永磁无刷电机低得多,但是其构造相对简单,造价相对低廉,油浸电机不适于用在同时提供人畜饮水的供水系统中,因此还有一定需求。其驱动控制的核心是专用的变频与控制一体化电源,本质上是将变频技术与光伏阵列最大功率点跟踪技术及若干必要的运行保护措施集合在同一个控制器中,由中央控制器完成光伏水泵系统中所需的全部控制功能,这样做的优点是系统稳定性好,结构紧凑,电机电压等级可按阵列配置自由优化选择,制造成本低,同时可以充分考虑到光伏水泵户外长时间无人值守、全自动运行等特点,在散热、防尘、防雷及各种专用的保护措施(如打干保护)等方面给予特殊考虑,较之“拼凑式”结构具有高得多的经济性和可靠性。2

直流永磁无刷电机驱动水泵直流电动机以其机械特性好、调速范围宽、起动转矩大、运行效率高、控制简单等优点在运动控制系统中得到了广泛的应用,但是其电刷和换相器也带来了可靠性较低、需经常维护等弱点。近20多年来,随着大功率开关器件、模拟和数字集成电路、计算机技术、高性能磁性材料的快速发展,采用电子换相原理工作的无刷直流电动机也得到了相应快速的发展。它己从最初应用的宇航、军事设施领域迅速扩展到工业和民用领域,使用面日益广泛.目能小功率无刷直流电动机已大量用于计算机外围设备、办公室自动化和音响影视设备中,在一些电力传动系统中,其应用也愈来愈广泛。

若干年来无刷直流电动机开始在光伏水泵系统中被用作驱动电机间,这是由于该种电机具有一般交流电动机所不易达到的高效率,它可望在较大幅度上减少目前还相对昂贵的太阳电池的用量,具有显著的经济性。但是,由于光伏水泵通常要求电机潜入水中运行,因此本文的研究工作除需要解决常规的直流无刷电动机的运行驱动技术外,还要求电机能适应潜水的要求,也就是必须同时解决绕组的可靠绝缘问题。从机械密封的角度想方设法去解决潜水电机的密封问题固然是一种思路,但是甚难克服其结构复杂、相应的机械损耗偏大的问题。2

无刷水泵工作原理无刷直流太阳能水泵（电机式）电机式无刷直流水泵是采用无刷直流电机加上叶轮之后组成的。电机的轴与叶轮连在一起。水泵的定子和转子之间是有间隙的，使用时间长了水会渗透进入电机里增加了电机烧坏的可能。

无刷直流磁力隔离式太阳能水泵无刷直流水泵采用了电子组件换向，无需使用碳刷换向，采用高性能耐磨陶瓷轴及陶瓷轴套，轴套通过注塑与磁铁连成整体也就避免了磨损，因此无刷直流磁力式水泵的寿命大大增强了。磁力隔离式水泵的定子部分和转子部分完全隔离，定子和电路板部分采用环氧树脂灌封，100%防水，转子部分采用永磁磁铁，水泵机身采用环保材料，噪音低，体积小，性能稳定。可以通过定子的绕线调节各种所需的参数，可以宽电压运行。

自身优势（1） 可靠：光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。

（2） 安全，无噪声，无其他公害。不产生任何的固体，液体和气体有害物质，绝对的 环保。

（3） 安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等优点。尤其以其可靠性高而备受关 注。

（4） 兼容性好，光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要使光伏系统很方便的增容。

（5） 标准化程度高，可由组件串并联满足不同用电的需要，通用性强。

（6） 太阳能随处都有，应用范围广。2

但是，太阳能系统也有其缺点，比如：能量分散，间歇性大，地域性强。前期成本较高。

太阳能水泵系统的展望目前硅太阳能电池板效率在短时期内很难有大的提升，虽然第二代薄膜太阳能电池和第三代有机质太阳能电池具在成本上有明显优势， 但与目前硅太阳能电池板的大规模生产相比还不具竞争力。未来一段时间内， 硅电池板仍将占据市场大量份额。因此，今后太阳能水泵系统研发方向应该集中在以下 3 个方面:

( 1) 研发高效水泵及电机， 以提高电机和水泵在大范围转速、流量变化下的高效区范围及降低系统扬水阈值功率。开发低成本、高可靠性智能控制器以提高各组件间性能匹配、应对多变的气候状况， 从而提高系统动态品质和全局效率。同时提高中小型风 － 光 － 热等能源互补利用综合技术的开发及推广;

( 2) 气候、光照、水位、需水等多因素变化下太阳能水泵系统长期性能预测的通用方法及基于动态变化下系统设计方法， 建立不同地区的数据库，以逐步取代使用静态平均值估计的方法;

( 3) 随着电池板价格的降低及中小型太阳能系统的发展，今后在优化电池板功率的基础上应加大对系统运行可靠性的评价以提高系统长期运行可靠性和供水的稳定。3