光伏提水工程中光伏功率和水泵功率的優(yōu)化匹配

屈 盛，劉祖明，李杰慧，馬 遜，馬雄韜，王玉林

（1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南昆明，650500；2.云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南昆明，650500；3.云南卓業(yè)能源有限公司，云南昆明，650217）

光伏提水工程中光伏功率和水泵功率的優(yōu)化匹配

屈 盛1，3，劉祖明2，3，李杰慧3，馬 遜2，馬雄韜1，王玉林1

（1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南昆明，650500；2.云南師范大學(xué)太陽能研究所，云南昆明，650500；3.云南卓業(yè)能源有限公司，云南昆明，650217）

摘要：為了能夠優(yōu)化配置光伏提水工程中的光伏功率和水泵功率，分析了控制逆變器的轉(zhuǎn)換效率、導(dǎo)線帶來的損失、光伏陣列的實(shí)際最大輸出功率等影響因素，推算出在云南省絕大部分地區(qū)光伏功率和水泵功率之比的優(yōu)化取值范圍應(yīng)在1.3～1.6之間.對(duì)一個(gè)功率比為1.3左右的光伏提水工程的測量表明，在晴天中午時(shí)分，該工程的水泵工作在其額定功率的90%左右，驗(yàn)證了該優(yōu)化取值范圍是有效的.

關(guān)鍵詞：光伏水泵；光伏提水工程；功率匹配

光伏水泵（photovoltaic pump）以太陽能為動(dòng)力，用光伏發(fā)電來驅(qū)動(dòng)水泵工作，也常常稱為太陽能水泵（solar energy pump），或者太陽水泵（solar pump）.光伏水泵系統(tǒng)（photovoltaic pump system）具有運(yùn)行費(fèi)用低、全自動(dòng)運(yùn)行、日出而作、日落而息、無需人看守、不受電網(wǎng)限制等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于多種需要提水的場合.在經(jīng)濟(jì)成本上，光伏水泵系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的交流電水泵系統(tǒng)和柴油機(jī)水泵系統(tǒng)具有較大的優(yōu)勢［1-3］，在許多場合上都可以代替目前的交流電水泵系統(tǒng)和柴油機(jī)水泵系統(tǒng).它尤其適合于解決無電、干旱少雨地區(qū)的日常用水問題［4］.

對(duì)于一個(gè)光伏水泵系統(tǒng)來說，一定額定功率的水泵，可以配置不同功率的光伏陣列.而這種配置并不是任意的，而是存在一個(gè)優(yōu)化范圍.已有一些文獻(xiàn)對(duì)光伏水泵系統(tǒng)的優(yōu)化配置問題進(jìn)行研究，但對(duì)其中的光伏功率和水泵功率的優(yōu)化匹配問題研究得不夠詳細(xì)［5-11］.而在工程實(shí)踐中，我們則曾多次看到過光伏標(biāo)稱功率是水泵額定功率2倍的實(shí)際工程.這樣的光伏提水系統(tǒng)盡管也可以提水，但是光伏陣列的功率容量過大，造成了投資的浪費(fèi).因此，對(duì)此問題進(jìn)行深入研究很有必要，可以減少或避免投資上的浪費(fèi).為了能夠優(yōu)化地匹配光伏水泵系統(tǒng)中的光伏功率和水泵功率，本文通過分析和計(jì)算，確定出光伏陣列的標(biāo)稱輸出功率和水泵額定功率之比的優(yōu)化取值范圍，然后測試一個(gè)光伏提水工程在晴天正午時(shí)分的光伏實(shí)際輸出功率和水泵的實(shí)際功率，以此來考察該優(yōu)化取值范圍的正確性.

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文所檢測的光伏提水工程位于云南省大理市下關(guān)區(qū)石坪村，該工程的光伏陣列由330塊光伏組件連接而成，光伏組件型號(hào)為ZYSM235，標(biāo)稱輸出功率（最大輸出功率）為235W（實(shí)際約為240W），這些光伏組件由60片規(guī)格為156的多晶硅太陽電池串聯(lián)封裝而成，光伏陣列總的標(biāo)稱輸出功率為78.96 kW.該工程的控制逆變器型號(hào)為ZYPD37，由2臺(tái)37 kW的逆變器和一個(gè)控制器構(gòu)成.該工程有2臺(tái)水泵，每臺(tái)水泵的額定功率為30 kW，額定揚(yáng)程為70m，額定流量為150 m3／h，為上海熊貓機(jī)械（集團(tuán)）有限公司制造，型號(hào)為AAB100-250A.該工程的管道距離約為800m.

為了使得測試結(jié)果具有一定的權(quán)威性，本文委托云南省太陽能產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢查站對(duì)我們的光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行第三方檢測（檢測報(bào)告編號(hào)：2012CPBV01，檢測時(shí)間：2012年12月15日，檢測人：高文峰）.主要測試不同太陽輻照強(qiáng)度下，光伏陣列的實(shí)際輸出功率、水泵的實(shí)際輸出功率、系統(tǒng)效率以及其他的一些性能參數(shù).

光伏水泵系統(tǒng)一般由光伏陣列、控制逆變器和水泵等3部分組成，如圖1所示.其中，光伏陣列的作用將太陽光輻射能轉(zhuǎn)換成直流電，它由多個(gè)光伏組件串并聯(lián)而成；控制逆變器的作用則是將直流電變?yōu)榻涣麟?，并?duì)水泵進(jìn)行自動(dòng)化控制；而水泵的作用是將水從低處提到高處，它一般為三相交流水泵.

光伏水泵系統(tǒng)建設(shè)好后基本上沒有任何運(yùn)行費(fèi)用，而相比之下，傳統(tǒng)的柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流市電水泵系統(tǒng)則需要較大的運(yùn)行費(fèi)用，因此光伏水泵系統(tǒng)比它們具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢.例如，對(duì)一個(gè)水泵額定功率為7.5 kW的提水系統(tǒng)，如果分別采用光伏發(fā)電、柴油機(jī)和交流電來驅(qū)動(dòng)水泵，則這3種水泵系統(tǒng)的建設(shè)成本大約分別為11萬元、0.7萬元和0.3萬元（此處不考慮架設(shè)輸電線路和變壓器的費(fèi)用，如果考慮架設(shè)1 km的輸電線路和安裝一個(gè)變壓器，則此項(xiàng)的費(fèi)用約為8萬元左右），但是它們25年的運(yùn)行費(fèi)用則分別約為0元、62萬元和15萬元（假定1年運(yùn)行200 d、日均運(yùn)行5 h，交流電的電價(jià)按0.8元／（kW·h），柴油價(jià)按10元／L）.因此，即使不考慮柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流市電水泵系統(tǒng)的初期建設(shè)費(fèi)用，它們?cè)谌舾赡旰蟮倪\(yùn)行費(fèi)用也會(huì)超過光伏水泵系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用.如果考慮了它們的初期建設(shè)費(fèi)用，柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流電水泵系統(tǒng)的費(fèi)用超過光伏水泵系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用的時(shí)間還會(huì)進(jìn)一步縮短.在這25年的運(yùn)行時(shí)間里，光伏水泵系統(tǒng)的維護(hù)主要來自水泵，光伏陣列和控制逆變器基本上不需要維護(hù)，而柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流電水泵系統(tǒng)同樣也需要對(duì)水泵進(jìn)行維護(hù)，因此，上述3種水泵系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用可以認(rèn)為是一樣的，均主要來自水泵的維護(hù)費(fèi)用（當(dāng)然，如果考慮柴油機(jī)的維護(hù)，則柴油機(jī)水泵系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用是最高的）.光伏水泵系統(tǒng)相對(duì)于柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流電水泵系統(tǒng)的這種經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢在一些無電的山區(qū)更為明顯.

由圖1可知，對(duì)于一個(gè)光伏水泵系統(tǒng)，其水泵有一個(gè)額定功率P1，它取決于系統(tǒng)的提水揚(yáng)程等因素［9］.而其光伏陣列則有一個(gè)標(biāo)稱輸出功率P2，因?yàn)榇嬖谥鴮?dǎo)線損失，它應(yīng)該大于水泵的額定功率.如果將光伏陣列的標(biāo)稱輸出功率和水泵的額定功率之比值定義為α，則有如下關(guān)系式：P2＝αP1.由該關(guān)系式可知，α的取值應(yīng)存在一個(gè)優(yōu)化范圍.因?yàn)槿绻吝^小，光伏陣列的實(shí)際輸出功率則可能不足，晴天里水泵不能充分發(fā)揮出它的性能，甚至不能正常工作；而如果α過大，則晴天里光伏陣列的最大輸出功率將遠(yuǎn)大于水泵的額定功率，但由于水泵最大只是以其額定功率工作，故此時(shí)光伏陣列的功率利用率將會(huì)降低.配置光功率過高的光伏水泵系統(tǒng)將會(huì)帶來投資上的浪費(fèi)，由于目前光伏發(fā)電的成本比較高，所以這種投資上的浪費(fèi)也是較為巨大的.

2 結(jié)果及討論

2.1 α優(yōu)化取值范圍的討論

為了確定功率比α的優(yōu)化取值范圍，本文考慮了3個(gè)方面的因素：①控制逆變器的轉(zhuǎn)換效率；②導(dǎo)線帶來的損失；③光伏陣列的標(biāo)稱輸出功率和實(shí)際最大輸出功率的關(guān)系.目前，光伏控制逆變器的轉(zhuǎn)換效率一般都能在90%以上，甚至可以達(dá)到95%以上.而導(dǎo)線帶來的損失，如果光伏陣列和水泵之間的距離不太遠(yuǎn)，一般可以控制在1%以內(nèi).因此考慮前2項(xiàng)因素以后，α的值應(yīng)該在1／0.9≈1.1左右.

地面光伏組件的標(biāo)準(zhǔn)測試條件是AM 1.5、25℃、1 000W／m2.光伏組件的標(biāo)稱輸出功率均是在該標(biāo)準(zhǔn)測試條件下得出的.在云南省范圍內(nèi)，該標(biāo)準(zhǔn)測試條件的光照強(qiáng)度實(shí)際上是高于晴天里太陽光照射到在地面上的強(qiáng)度的，這也就是說，在云南省內(nèi)，晴天里光伏組件在太陽光照射下的實(shí)際輸出功率是小于其標(biāo)稱輸出功率的.為了找出光伏組件在晴天里的實(shí)際輸出功率和其標(biāo)稱輸出功率的差異，我們測量了云南省大理市下關(guān)區(qū)石坪村在晴天中午時(shí)分的太陽輻照強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示.

表1 云南省大理市下關(guān)區(qū)石坪村太陽輻照的測量結(jié)果（斜面傾角約20°）

由表1可知，在晴天的正午時(shí)分，該地太陽光照射到光伏陣列前表面（傾斜角約為20°左右）的強(qiáng)度約在700～850W／m2之間.如果近似認(rèn)為在此輻照強(qiáng)度范圍內(nèi)光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率不變，仍為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的光電轉(zhuǎn)換效率，則我們可以推算出，在該地太陽光輻照下，地面光伏組件的最大輸出功率實(shí)際上只有標(biāo)稱輸出功率的70%～85%.例如一個(gè)標(biāo)稱為200W的地面光伏組件，在該地太陽光輻照下，其所輸出的最大功率實(shí)際上在140～170W之間.

由文獻(xiàn)［10］可知，云南省絕大部分地區(qū)的年太陽輻射總量很接近，都與上述測試地點(diǎn)的年輻射總量相近.因此，表1的數(shù)據(jù)在云南省內(nèi)具有代表性，依據(jù)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算所得的結(jié)果適用于云南省絕大部分地區(qū).

綜上所述，在考慮以上3個(gè)方面的因素以后，在云南省絕大部分地區(qū)α的優(yōu)化取值范圍應(yīng)該在（1／0.9）×（1 000／850）-（1／0.9）×（1 000／700）≈1.3～1.6之間，此即是光伏提水系統(tǒng)中光伏陣列標(biāo)稱輸出功率和水泵額定功率的優(yōu)化匹配范圍.例如，對(duì)于一個(gè)水泵額定功率為10 kW的光伏提水系統(tǒng)，光伏陣列的標(biāo)稱輸出功率應(yīng)該配置在13～16 kW之間.

3.2 α優(yōu)化取值范圍的驗(yàn)證

為了考察上述討論所得到的α優(yōu)化取值范圍的正確性，我們依托云南省太陽能產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢查站對(duì)一個(gè)功率比為1.3左右的光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試，該測試是在中午12∶18進(jìn)行，測得此時(shí)的太陽輻照強(qiáng)度為810W／m2，當(dāng)天天氣晴朗，該光伏水泵系統(tǒng)的功率配置情況和所得的測量結(jié)果如表2所示.

由表2可知，此時(shí)光伏陣列的實(shí)際輸出功率實(shí)際上只有其標(biāo)稱輸出功率的79.4%.但按照上面討論中的假設(shè)，當(dāng)太陽輻照強(qiáng)度為810W／m2時(shí)，光伏陣列的實(shí)際輸出功率應(yīng)該是其標(biāo)稱輸出功率的81%.其中可能的原因是：①光伏組件在此光強(qiáng)下的光電轉(zhuǎn)換效率并不等于標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)（1 000W／m2）下的光電轉(zhuǎn)換效率，而是稍有下降；②在太陽光的長時(shí)間照射下，光伏組件的溫度會(huì)高于25℃，從而使得其光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步下降.

表2 光伏提水系統(tǒng)的光伏功率和水泵功率的實(shí)際測量結(jié)果

由表2還可知，此時(shí)光伏水泵系統(tǒng)的電效率為86.2%（即水泵的實(shí)際功率和光伏陣列的實(shí)際輸出功率之比），而此時(shí)水泵的實(shí)際功率是54 kW，為其額定功率的90%.盡管水泵并沒有以額定功率工作，但已經(jīng)非常接近額定功率了，可以認(rèn)為基本上達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo).故功率比為1.3左右配置是可行的，此即是α的取值范圍的下限.

由表2可以預(yù)知，如果功率比小于1.3，則在晴天的正午時(shí)分，水泵的實(shí)際功率將小于額定功率的90%，系統(tǒng)將不能很好地發(fā)揮出其設(shè)計(jì)的性能.而如果功率比大于1.3，則在晴天的正午時(shí)分，水泵的實(shí)際功率將大于額定功率的90%.例如，如果假定系統(tǒng)的電效率不變，則可以預(yù)知當(dāng)功率比為1.46時(shí)（即光伏陣列的標(biāo)稱功率為87.6 kW時(shí)），在同樣的光照條件和光伏陣列的功率輸出比例（實(shí)際輸出功率和其標(biāo)稱功率之比）下，光伏陣列的實(shí)際輸出功率將達(dá)到87.6×79.4%≈69.6 kW，而水泵的實(shí)際功率將69.6×0.862≈60 kW，即水泵以額定功率工作.而當(dāng)功率比為1.6時(shí)（即光伏陣列標(biāo)稱功率為96 kW時(shí)），在同樣的光照條件和輸出比例下，光伏陣列的實(shí)際輸出功率將達(dá)到96×79.4%≈77.2 kW，如果此時(shí)系統(tǒng)仍想保持86.2%的電效率，則水泵需要工作在66.5 kW上，即工作在額定功率的1.1倍上.但實(shí)際上，水泵的實(shí)際工作功率不會(huì)大于其額定功率，故此時(shí)系統(tǒng)若想仍保持86.2%的電效率，則光伏陣列的輸出功率將會(huì)由77.2 kW下降到69.6 kW，即光伏陣列的功率輸出比例將由79.4%下降到72.5%，也即光伏陣列的功率利用率下降了.根據(jù)上面的討論，在此種情況下，如果假定為1.46時(shí)光伏陣列的功率利用率為100%，則當(dāng)為1.6時(shí)光伏陣列的功率利用率僅僅約為91.3%，也就是說，當(dāng)為1.6時(shí)，光伏陣列的功率容量已經(jīng)過大了.如果功率比進(jìn)一步增大，光伏陣列的功率利用率還會(huì)進(jìn)一步降低，光伏陣列功率容量的過剩還會(huì)進(jìn)一步嚴(yán)重.因此，即使考慮了一定的功率余量，將α的優(yōu)化取值確定在1.3～1.6就已經(jīng)比較恰當(dāng)了.

在陽光非常好的晴天，太陽輻照強(qiáng)度可以達(dá)到810W／m2，而在輻照稍差一點(diǎn)的晴天里，太陽輻照強(qiáng)度將達(dá)不到810W／m2，如表1所示.因此將α的優(yōu)化取值確定在1.3～1.6范圍是比較合理的，可以兼顧這種太陽輻射稍差一點(diǎn)的天氣.此外，在工程實(shí)踐中，盡管光伏陣列的標(biāo)稱功率是光伏組件的整數(shù)倍，但是為了維持一定的輸出電壓，光伏陣列的功率要想增加時(shí)，往往是需要增加一個(gè)子陣的功率，而不是增加一塊光伏組件的功率，因此將α的優(yōu)化取值確定在一個(gè)范圍內(nèi)，而不是確定為某一個(gè)值，更加符合光伏水泵工程的實(shí)際情況.

4 結(jié)語

在實(shí)際測試的基礎(chǔ)上，通過分析和計(jì)算，我們得出，在云南省內(nèi)光伏水泵系統(tǒng)中光伏陣列的標(biāo)稱輸出功率和水泵的額定功率之比值應(yīng)該在1.3～1.6之間.如果該功率比值小于1.3，則晴天里水泵不能充分發(fā)揮出它的性能；而如果該功率比值大于1.6，則光伏陣列的功率利用率不高，造成光伏陣列功率容量的浪費(fèi).實(shí)際測量結(jié)果表明，一個(gè)功率比為1.3左右的光伏水泵工程在晴天中午時(shí)分，其水泵的實(shí)際功率為其額定功率的90%.這驗(yàn)證了該優(yōu)化取值范圍的有效性.

參考文獻(xiàn)：

［1］程榮香，張瑞強(qiáng).光伏提水技術(shù)在農(nóng)作物灌溉上的應(yīng)用［J］.可再生能源，2008，26（1）：72-78.

［2］劉家宏，徐鶴，王浩，等.太陽能光伏水泵提水灌溉修復(fù)草場的水資源要求［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，27（6）：20-25.

［3］査詠.牧區(qū)戶使用光伏提水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析［J］.內(nèi)蒙古水利，2012（3）：155-156.

［4］朱亦丹，孫佩石，張國榮，等.一種可靠高效的BLDC光伏水泵控制器設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（8）：1-3.

［5］GHONEIM A A.Design optimization of photovoltaic powered water pumping systems［J］.Energy Conversion and Management，2006（6）：1449-1463.

［6］MEHDAOUI A，ARAB A H，SEMINAR D.Design and description of a photovoltaic pumping system：Application in the site of adrar［J］.環(huán)境科學(xué)與工程：B，2012，1（2）：183-186.

［7］叢小青，賈自強(qiáng)，袁丹青，等.太陽能光伏水泵系統(tǒng)損失分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.可再生能源，2011，29（1）：81-85.

［8］謝磊，余世杰，王飛，等.光伏水泵系統(tǒng)配置優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)及仿真研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2009，30（11）：1454-1460.

［9］水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所.SL540-2011光伏提水工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［10］林文賢，呂恩榮.云南省太陽能輻射資源研究—總輻射［J］.云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1990，26（1／2）：27-38.

［11］朱勛夢，王文儀，劉祖明，等.光伏及光熱一體化的工藝性能分析［J］.云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，33（2）：25-28.

（責(zé)任編輯 莊紅林）

中圖分類號(hào)：TK51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-8513（2014）06-0465-04

收稿日期：2014-05-09.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51367019）.

作者簡介：屈盛（1976-），男，博士，講師.主要研究方向：太陽能光伏科學(xué)與工程.

Photovoltaic power and pump power in a photovoltaic pumping engineering

QU Sheng1，3，LIU Zu-ming2，3，LI Jie-hui3，MA Xun2，MA Xiong-tao1，WANG Yu-lin1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Yunnan Minzu University，Kunming 650500，China；2.Institute of Solar Energy，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China；3.Yunnan ZY Energy Corporation，Kunming 650217，China）

Abstract：In order to optimally configure photovoltaic power and pump power in a photovoltaic pumping engineering，the impact factors of photovoltaic pump systems are analyzedin detail in this paper，including the efficiency of control inverters，the wire-induced loss and the real maximum output power of photovoltaic arrays，then a deduction is made that the optimum value of the ratio of photovoltaic power to pump power in a photovoltaic pumping system should be between 1.3 and 1.6 in most areas of Yunnan province.Measurement results indicate that at noon of a fine day，the pump works at90 percent of its rated power in a photovoltaic pumping engineering with a power ratio of 1.3.This proves the optimum value of the power ratio is effective.

Keywords：photovoltaic pump；photovoltaic pumping engineering；powermatch