專利名稱：一種提高光伏水泵系統(tǒng)效率的新技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高光伏水泵系統(tǒng)效率的新技術(shù)，屬太陽能發(fā)電驅(qū)動水泵技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光伏水泵系統(tǒng)效率的提高大家比較關(guān)注是提高控制器和逆變器的效率，包括最大功率跟蹤(MPPT)等，其實光伏水泵系統(tǒng)配置是提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。但由于太陽輻照度在一天中變化很大，當太陽輻照度較低時，由于光伏方陣輸出的功率有限，不能驅(qū)動水泵突破閥值開始工作，在沒有蓄電池配置時，這些達不到閥值的太陽輻射能就被浪費了。有時為充分利用低輻照度的太陽能，在光伏水泵系統(tǒng)中增加蓄電池，將此時不能驅(qū)動水泵工作的能量存儲在蓄電池中，當蓄電池儲滿電時再用來驅(qū)動水泵工作[1]。如果配置蓄電池也帶來兩方面的問題，一方面系統(tǒng)的成本增加很多，另一方面蓄電池的壽命較短，在工作5飛年就需要更換，也顯著增加了光伏水泵的運行成本。常規(guī)光伏水泵系統(tǒng)為了充分發(fā)揮水泵的性能，一般配置的光伏組件功率要大于水泵約25%[2]，但這種配置實際上在低揚程水泵中工作還比較好，但在高揚程水泵中問題就比較多，需要較高的太陽輻照度才能工作，這樣一天中就沒有多少時間可以抽水。為了使光伏水泵在稍低光強(如30(T400W/m2)下能工作需要將光伏組件的功率顯著增加，我們經(jīng)過試驗證明甚至將組件配置接近翻倍在低光強下仍不能工作，而在高光強下又浪費，因為水泵不需要那么多的能量，導(dǎo)致系統(tǒng)效率不高，成本過高。參考文獻[I]趙鄭鳴，陳劍，孫曉瑛，《太陽能光伏發(fā)電最大功率點跟蹤技術(shù)》，北京電子工業(yè)出版，2012年4月，p. 132[2] Teresa D. Morales, Design of Small Photovoltaic (PV) Solar-PoweredWater Pump Systems, Technical Note No. 28, issued Oct 2010, US Department ofAgriculture, NRCS (Natural Resources Conservation Service)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，發(fā)明一種采用采樣光伏組件或太陽電池，得到瞬時的太陽輻射及光伏組件工作溫度信息，更準確控制光伏水泵工作，真正實現(xiàn)光伏方陣的最大功率跟蹤，同時再采用兩個及兩個以上的相同揚程的水泵并聯(lián)工作方式，實現(xiàn)多臺水泵依順序啟動工作模式。本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的由光伏方陣、采樣組件、逆變器、水泵三部分組成的一種提高光伏水泵系統(tǒng)效率的新技術(shù)，其特征在于將兩個小片太陽電池采用與光伏方陣相同的材料和工藝封裝起來，用鍍錫焊帶將這兩個小片太陽電池的輸出引出來，構(gòu)成采樣小組件，將采樣小組件與光伏方陣安裝成相同方位及傾角，其中一個電池的短路電流作為太陽輻照度的采樣，另一個電池的開路電壓作為溫度的采樣，使用這個采用小組件能同時獲得光伏方陣所處位置的太陽輻照度和溫度數(shù)據(jù)；或者將兩個小片太陽電池直接封裝在光伏組件中，該組件的引出接線盒中增加兩路輸出，其中一個電池的短路電流作為太陽輻照度的采樣，另一個電池的開路電壓作為溫度的采樣，這樣使用這個采樣小組件也能同時得到光伏方陣所處位置的太陽輻照度和溫度；將太陽輻照度和溫度兩個數(shù)據(jù)輸送到泵組控制器中，經(jīng)泵組控制器內(nèi)的單片機處理后，分別控制兩臺或兩臺以上并聯(lián)連接的水泵工作，在低太陽輻照度時僅啟動一臺水泵工作，太陽光輻照強度超過一臺水泵滿負荷工作后，再啟動第二臺水泵工作，這樣依順序啟動多臺水泵工作。每臺水泵前端與管道連接部位裝有單向閥。所述的采樣小組件得到瞬時太陽輻射度、光伏方陣工作溫度及獲得到的光伏方陣準確功率數(shù)據(jù)后，輸送到水泵用的變頻泵組控制器中，控制軟件快速響應(yīng)，采用動態(tài)太陽輻照度及方陣溫度最大功率點跟蹤(PTMPPT)控制法，直接調(diào)整水泵的工作頻率及光伏方陣的最大功率點的電壓，讓水泵運行穩(wěn)定，保證水泵工作時不掉線；通過控制逆變器讓光伏方陣最大功率跟蹤太陽光照更精準、讓光伏水泵工作狀態(tài)控制更精確。所述的裝有逆變器使用交流水泵，沒有裝逆變器只能使用直流水泵。工作原理為解決光伏水泵在低光強下仍能工作，提高系統(tǒng)的整體效率，本發(fā)明采用控制器來同時控制使用兩個及兩個以上的相同揚程的水泵并聯(lián)工作，在低太陽輻照度時僅啟動一臺水泵工作，光強超過一臺水泵滿負荷工作后再啟動第二臺水泵工作，這樣依順序啟動多臺水泵工作。如果采用兩臺水泵并聯(lián)工作，水泵滿負荷工作的太陽輻照度就減小到二分之一，如果采用三臺水泵并聯(lián)工作，水泵滿負荷工作的太陽輻照度就減小到三分之一，這種模式充分利用了低輻照度的太陽能，又避免了采用蓄電池這種成本較高的模式。當然本發(fā)明并聯(lián)的水泵也不是越多越好，一般比較合理兩臺至八臺。盡管兩臺水泵及以上水泵的并聯(lián)，其流量要小于單獨泵流量的總和，但只要將管道設(shè)計好，小的部分是比較有限的。該方案光伏水泵的總體效率要大于單獨采用一臺泵的效率。本發(fā)明新的水泵使用控制技術(shù)，能夠大幅提高光伏系統(tǒng)的效率，使光伏水泵在低光強下能夠工作，在高光強下也不形成浪費，這樣也顯著降低了光伏水泵的系統(tǒng)成本，具有市場前景。


下面結(jié)合附圖所示實施例，對結(jié)構(gòu)作進一步說明，但本發(fā)明保護范圍不限于此實施例。圖1為本發(fā)明水泵組成示意圖。圖2為本發(fā)明水泵控制框圖。圖3為本發(fā)明一個實施例具體控制電路。圖4是本發(fā)明由兩個小片太陽電池組成采樣小組件結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明將采樣小組件太陽電池片封裝進常規(guī)組件的示意圖。圖中1為短路電流采樣太陽電池；2為開路電壓采樣太陽電池；3水泵；4單向閥；5維修閥。
具體實施例方式按圖4或圖5所示方法之一，制作采樣小組件，將從采樣小組件太陽電池中獲得的太陽輻照度及溫度等數(shù)據(jù)，送入光伏水泵用的變頻控制器，控制軟件快速響應(yīng)，直接調(diào)整水泵的工作頻率及光伏方陣的最大功率點的電壓，采用動態(tài)太陽輻照度及方陣溫度最大功率點跟蹤(PTMPPT)控制法，讓兩者保持最為匹配狀態(tài)，讓水泵運行穩(wěn)定，本發(fā)明采用采樣小組件能同時獲得太陽輻照度及光伏方陣的溫度，主動及時改變光伏方陣的最大工作點，這種跟蹤模式比常規(guī)定電壓跟蹤效率要高很多，且最大的優(yōu)勢是跟蹤準確及時，在太陽輻射快速變化時能及時跟蹤上，使光伏水泵系統(tǒng)的工作效率得到了極大的提高，這在高揚程的水泵系統(tǒng)中是至關(guān)重要的。本發(fā)明光伏方陣為一個整體，其功率配備取決于當?shù)卣鐣r常見的太陽輻照度，一般為扣除溫度增加及組件組合損耗帶來的損失，適當考慮效率衰減帶來的損失，其輸出功率應(yīng)不小于全部水泵滿負荷工作需要的功率。采用兩臺以上同樣揚程的水泵并聯(lián)工作，在每一個支路上安裝單向閥，避免不工 作支路弓I起水倒流(見圖1)。對每一臺水泵采用一個控制程序，在使用交流泵時采用變頻器，對所有的水泵啟動/停止采取統(tǒng)一的管理，技術(shù)上采用單片機來實現(xiàn)管理，采用太陽輻照度采樣組件來控制各個水泵的啟動和停止，見圖2原理框圖。當太陽輻照度較低時，啟動一臺水泵，其他水泵停止，當太陽輻照度增大第一臺泵已經(jīng)工作在滿負荷狀態(tài)，及時啟動第二臺泵，增加提水。當?shù)诙_泵也滿負荷工作時，又及時啟動第三臺泵，依次類推。如果出現(xiàn)太陽輻照度降低，不足以驅(qū)動多臺泵同時工作，及時停止一臺泵工作，如果光伏方陣的輸出依然達不到目前所供水泵工作就再停止一臺，直到光伏方陣的輸出能提供最低水泵工作為止，這樣就充分利用了各種強度的太陽能。為避免一臺水泵經(jīng)常工作而提前損耗，在設(shè)置上可以順序調(diào)整，讓每臺泵的工作時間幾乎均等。本發(fā)明控制系統(tǒng)理論基礎(chǔ):太陽能光伏電池原理是光生伏特效應(yīng)，其短路電流也成為光生電流，是所有光子所激發(fā)的電子-空穴對被內(nèi)建電場分離后達到電極的帶電粒子的總和，與太陽輻照度成正比，因此短路電流的大小直接反映了太陽輻照度的大小。從太陽電池的等效電路得到其特性如下:I=Iph-10 [exp (qV/kT)-1] (I)式中1、V為太陽電池的工作電流、電壓，Iph為太陽電池的光生電流，Ici為飽和暗電流。在短路情況下V=O，有Isc=Iph即短路電流等于太陽電池的光生電流。根據(jù)實驗測量太陽電池的短路電流正比于太陽輻照度，因此知道了太陽電池的短路電流即知道了太陽輻照度。在開路情況下I=O有 Voc = —— ln(^—I)
<11O
—般 Iph/I?！怠?，則有
權(quán)利要求
1.一種提高光伏水泵系統(tǒng)效率的新技術(shù)，由光伏方陣、采樣組件、逆變器、水泵三部分組成，其特征在于將兩個小片太陽電池采用與光伏方陣相同的材料和工藝封裝起來，用鍍錫焊帶將這兩個小片太陽電池的輸出引出來，構(gòu)成采樣小組件，將采樣小組件與光伏方陣安裝成相同方位及傾角，其中一個電池的短路電流作為太陽輻照度的采樣，另一個電池的開路電壓作為溫度的采樣，使用這個采用小組件能同時獲得光伏方陣所處位置的太陽輻照度和溫度數(shù)據(jù)； 或者將兩個小片太陽電池直接封裝在光伏組件中，該組件的引出接線盒中增加兩路輸出，其中一個電池的短路電流作為太陽輻照度的采樣，另一個電池的開路電壓作為溫度的采樣，這樣使用這個采樣小組件也能同時得到光伏方陣所處位置的太陽輻照度和溫度； 將太陽輻照度和溫度兩個數(shù)據(jù)輸送到泵組控制器中，經(jīng)泵組控制器內(nèi)的單片機處理后，分別控制兩臺或兩臺以上并聯(lián)連接的水泵工作，在低太陽輻照度時僅啟動一臺水泵工作，太陽光輻照強度超過一臺水泵滿負荷工作后，再啟動第二臺水泵工作，這樣依順序啟動多臺水泵工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高光伏水泵系統(tǒng)效率的新技術(shù)，其特征在于每臺水泵前端與管道連接部位裝有單向閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求成I所述的提高光伏水泵系統(tǒng)效率的新技術(shù)，其特征在于采樣小組件得到瞬時太陽輻射度、光伏方陣工作溫度及獲得到的光伏方陣準確功率數(shù)據(jù)后，輸送到水泵用的變頻泵組控制器中，控制軟件快速響應(yīng)，采用動態(tài)太陽輻照度及方陣溫度最大功率點跟蹤(PTMPPT)控制法，直接調(diào)整水泵的工作頻率及光伏方陣的最大功率點的電壓，讓水泵運行穩(wěn)定，保證水泵工作時不掉線；通過控制逆變器讓光伏方陣最大功率跟蹤太陽光照更精準、讓光伏水泵工作狀態(tài)控制更精確。
4.根據(jù)權(quán)利要求成I所述的提高光伏水泵系統(tǒng)效率的新技術(shù)，其特征在于裝有逆變器使用交流水泵，沒有裝逆 變器只能使用直流水泵。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高光伏水泵系統(tǒng)效率的新技術(shù)，屬太陽能發(fā)電驅(qū)動水泵技術(shù)領(lǐng)域。其特征是采用兩臺及以上的相同水泵并聯(lián)工作，在光強較低時，僅啟動一臺水泵工作，在光強較高時兩臺或多臺水泵可同時工作，充分利用太陽能光伏方陣所發(fā)出的電力，使光伏系統(tǒng)的整體效率得到較大的提高，成本得到有效控制。
文檔編號F04B49/06GK103075330SQ201210421069
公開日2013年5月1日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者李杰慧, 楊約葵, 李艷雄, 金塍川 申請人:云南卓業(yè)能源有限公司