協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計研究總院 ■ 謝磊鄧偉

日照能量優(yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)

協(xié)鑫集團(tuán)設(shè)計研究總院 ■ 謝磊*鄧偉

提出了一種能量優(yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并通過仿真工具對日照強度及系統(tǒng)揚程對光伏水泵的系統(tǒng)效率及出水量的影響進(jìn)行了仿真分析，最后給出了提高系統(tǒng)日出水量的日照能量優(yōu)化利用原則。

光伏水泵系統(tǒng)；數(shù)學(xué)模型；系統(tǒng)效率；出水量

0 引言

無電地區(qū)的供水問題成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原因[1,2]，光伏水泵因其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點成為了供水的優(yōu)選方案。然而，由于受到成本等因素的限制，大部分光伏水泵系統(tǒng)中未配置儲能電池，這意味著當(dāng)日照能量低于某一閾值時，光伏水泵的出力會因為滿足不了靜揚程所需功率而導(dǎo)致無法出水，降低了光伏水泵的利用率，也造成了日照能量的浪費。本文基于能量優(yōu)化利用的思想，通過對光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，對日照強度、系統(tǒng)揚程對光伏水泵系統(tǒng)效率和出水量的影響進(jìn)行分析，總結(jié)出提高系統(tǒng)效率和出水量的能量優(yōu)化利用原則。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為本文提出的能量優(yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)，其由光伏陣列、MPPT光伏水泵控制器、水泵切換裝置、水泵系統(tǒng)、流量傳感器組成。水泵切換裝置根據(jù)流量傳感器返回的流量數(shù)據(jù)對水泵1和水泵2的工作進(jìn)行控制。

圖1 能量優(yōu)化利用的光伏水泵系統(tǒng)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 日照強度分布模型

本文采用的日照強度分布模型[3]為：

式中，Gm為峰值日照強度，W/m2；T為每天的總?cè)照招r數(shù)；t為一天中的某一日照時刻。

2.2 光伏陣列模型

光伏陣列的模型可描述為[4]：

式中，Isc為光伏組件的短路電流，A；Voc為光伏組件的開路電壓，V；ΔI為由于日照及溫度變化所帶來的電流增量，A；ΔV為受日照、溫度變化及串聯(lián)體電阻Rs所造成的電壓增量，V；C1、C2為相關(guān)系數(shù)。

2.3 離心泵與管路模型

離心泵的H-Q特性曲線可表示為[5,6]：

式中，H為系統(tǒng)揚程，m；Q為流量，m3/h；a、b、c為模型參數(shù)。

管路的H-Q特性曲線可描述為：

式中，Hp為水泵系統(tǒng)的揚程，m；H1為系統(tǒng)揚水高度，m；kp為管路系數(shù)。

3 實驗和仿真

3.1 實驗

為便于進(jìn)行仿真分析，本文選用了R95-DF-04和R95-BF-06兩種規(guī)格的離心泵[7]，并根據(jù)實驗所測得的數(shù)據(jù)對其H-Q特性進(jìn)行了曲線擬合，所得的擬合系數(shù)如表1、表2所示。

表1 R95-DF-04的擬合系數(shù)

表2 R95-BF-06的擬合系數(shù)

利用Matlab工具和表1、表2中的擬合系數(shù)，可得到如圖2a、2b所示的H-Q特性擬合曲線。從圖2中可看出，擬合曲線與實測數(shù)據(jù)點吻合程度很好，擬合系數(shù)可用于光伏水泵的建模。

圖2 H-Q特性擬合曲線

3.2 仿真

本文采用Simulink建立了如圖3所示的系統(tǒng)仿真模型，并基于此模型對R95-DF-04水泵系統(tǒng)、R95-BF-06水泵系統(tǒng)、復(fù)合水泵系統(tǒng)(R95-DF-04和R95-BF-06可切換)進(jìn)行了不同日照強度、揚程、切換日照強度下的系統(tǒng)效率和日出水量的仿真分析。

圖4a、4b分別是在不同揚程下，R95-DF-04水泵系統(tǒng)、R95-BF-06水泵系統(tǒng)和復(fù)合水泵系統(tǒng)在最高日照強度Smax=1000 W/m2下，切換日照強度為800 W/m2的系統(tǒng)平均效率和日出水量的仿真結(jié)果。

圖3 光伏水泵系統(tǒng)的仿真模型

圖4 3種水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率和日出水量

由圖4a可看出，當(dāng)揚程低于14 m時，R95-DF-04水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)；復(fù)合水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率在揚程低于17 m時，均高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)，并且?guī)缀踉谌珦P程范圍內(nèi)，復(fù)合水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率均優(yōu)于R95-DF-04水泵系統(tǒng)。

由圖4b可看出，3種水泵系統(tǒng)的日出水量與水泵系統(tǒng)效率的規(guī)律類似。因此，可以以日出水量作為評判水泵系統(tǒng)性能的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5為在最高日照強度Smax=1000 W/m2下，不同切換日照強度(800 W/m2和600 W/m2)時的復(fù)合水泵系統(tǒng)日出水量的對比。

由圖5可知，當(dāng)揚程低于10 m且切換日照強度為600 W/m2時，可獲得比切換日照強度為800 W/m2時更多的日出水量；當(dāng)揚程高于10 m時，情況恰恰相反。

圖6為最高日照強度Smax=700 W/m2、復(fù)合水泵系統(tǒng)切換日照強度為600 W/m2時，3種水泵系統(tǒng)日出水量的對比。

圖5 不同切換日照強度下的日出水量對比

圖6 Smax=700 W/m2時的日出水量

由圖6可知：1) 3種水泵系統(tǒng)的最高出水揚程及日出水量相較于最高日照強度Smax=1000 W/m2時的情況，均有明顯下降。2) R95-DF-04水泵系統(tǒng)在揚程低于6 m時，日出水量高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)。而復(fù)合水泵系統(tǒng)則在揚程低于9 m時，有高于R95-BF-06水泵系統(tǒng)的出水量；且在全揚程范圍內(nèi)，復(fù)合水泵系統(tǒng)的日出水量均優(yōu)于R95-DF-04水泵系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文對光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，以不同的系統(tǒng)揚程為前提，將最高日照強度、不同切換日照強度對3種不同類型光伏水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率、日出水量的影響進(jìn)行了仿真分析，最終得出以下日照能量優(yōu)化利用的原則：

1) 當(dāng)最高日照強度一定時，系統(tǒng)揚程對水泵系統(tǒng)的系統(tǒng)效率和日出水量有十分明顯的影響。當(dāng)揚程確定時，應(yīng)選擇對應(yīng)于與此揚程下的具有更高系統(tǒng)效率或日出水量的水泵系統(tǒng)。

2) 復(fù)合水泵系統(tǒng)在全揚程范圍內(nèi)，均可獲得優(yōu)于R95-DF-04水泵系統(tǒng)的日出水量；與R95-BF-06水泵系統(tǒng)相比，則需要根據(jù)揚程大小進(jìn)行合理選擇。

3) 不同最高日照強度對3種水泵系統(tǒng)的最高日出水量所對應(yīng)揚程閾值的影響也十分顯著。Smax=1000 W/m2且當(dāng)揚程低于8 m時，R95-DF-04水泵系統(tǒng)日出水量最大；當(dāng)揚程介于8 m與17 m之間時，復(fù)合水泵系統(tǒng)日出水量最大；當(dāng)揚程高于17 m時，R95-BF-04水泵系統(tǒng)日出水量最大。而在最高日照強度Smax=700 W/m2時，上述揚程閾值點分別下降至6 m和9 m。

4) 當(dāng)最高日照強度確定時，不同揚程、不同切換日照強度對復(fù)合水泵系統(tǒng)的最高日出水量也有一定影響，應(yīng)根據(jù)揚程所在區(qū)間合理選擇不同的切換日照強度以優(yōu)化日出水量。

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2016-10-25

謝磊 (1981—)，男，博士、高級工程師，主要從事太陽能光伏發(fā)電技術(shù)方面的研究。spray_xl@163.com