日照能量優化利用的光伏水泵系統

協鑫集團設計研究總院 ■ 謝磊鄧偉

日照能量優化利用的光伏水泵系統

協鑫集團設計研究總院 ■ 謝磊*鄧偉

提出了一種能量優化利用的光伏水泵系統，建立了系統數學模型，并通過仿真工具對日照強度及系統揚程對光伏水泵的系統效率及出水量的影響進行了仿真分析，最后給出了提高系統日出水量的日照能量優化利用原則。

光伏水泵系統；數學模型；系統效率；出水量

0 引言

無電地區的供水問題成為制約當地經濟發展的重要原因[1,2]，光伏水泵因其經濟、環保等優點成為了供水的優選方案。然而，由于受到成本等因素的限制，大部分光伏水泵系統中未配置儲能電池，這意味著當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。本文基于能量優化利用的思想，通過對光伏水泵系統進行建模和仿真，對日照強度、系統揚程對光伏水泵系統效率和出水量的影響進行分析，總結出提高系統效率和出水量的能量優化利用原則。

1 系統構成

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

圖1 能量優化利用的光伏水泵系統

2 數學模型

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為每天的總日照小時數；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、溫度變化及串聯體電阻Rs所造成的電壓增量，V；C1、C2為相關系數。

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為系統揚程，m；Q為流量，m3/h；a、b、c為模型參數。

管路的H-Q特性曲線可描述為：

式中，Hp為水泵系統的揚程，m；H1為系統揚水高度，m；kp為管路系數。

3 實驗和仿真

3.1 實驗

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

表1 R95-DF-04的擬合系數

表2 R95-BF-06的擬合系數

利用Matlab工具和表1、表2中的擬合系數，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，擬合曲線與實測數據點吻合程度很好，擬合系數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所示的系統仿真模型，并基于此模型對R95-DF-04水泵系統、R95-BF-06水泵系統、復合水泵系統(R95-DF-04和R95-BF-06可切換)進行了不同日照強度、揚程、切換日照強度下的系統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、R95-BF-06水泵系統和復合水泵系統在最高日照強度Smax=1000 W/m2下，切換日照強度為800 W/m2的系統平均效率和日出水量的仿真結果。

圖3 光伏水泵系統的仿真模型

圖4 3種水泵系統的系統效率和日出水量

由圖4a可看出，當揚程低于14 m時，R95-DF-04水泵系統的系統效率高于R95-BF-06水泵系統；復合水泵系統的系統效率在揚程低于17 m時，均高于R95-BF-06水泵系統，并且幾乎在全揚程范圍內，復合水泵系統的系統效率均優于R95-DF-04水泵系統。

由圖4b可看出，3種水泵系統的日出水量與水泵系統效率的規律類似。因此，可以以日出水量作為評判水泵系統性能的標準。

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)時的復合水泵系統日出水量的對比。

由圖5可知，當揚程低于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、復合水泵系統切換日照強度為600 W/m2時，3種水泵系統日出水量的對比。

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水泵系統在揚程低于6 m時，日出水量高于R95-BF-06水泵系統。而復合水泵系統則在揚程低于9 m時，有高于R95-BF-06水泵系統的出水量；且在全揚程范圍內，復合水泵系統的日出水量均優于R95-DF-04水泵系統。

4 結論

本文對光伏水泵系統進行了數學建模，以不同的系統揚程為前提，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的系統效率、日出水量的影響進行了仿真分析，最終得出以下日照能量優化利用的原則：

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

2) 復合水泵系統在全揚程范圍內，均可獲得優于R95-DF-04水泵系統的日出水量；與R95-BF-06水泵系統相比，則需要根據揚程大小進行合理選擇。

3) 不同最高日照強度對3種水泵系統的最高日出水量所對應揚程閾值的影響也十分顯著。Smax=1000 W/m2且當揚程低于8 m時，R95-DF-04水泵系統日出水量最大；當揚程介于8 m與17 m之間時，復合水泵系統日出水量最大；當揚程高于17 m時，R95-BF-04水泵系統日出水量最大。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) 當最高日照強度確定時，不同揚程、不同切換日照強度對復合水泵系統的最高日出水量也有一定影響，應根據揚程所在區間合理選擇不同的切換日照強度以優化日出水量。

[1] Woodhoo A, Iruarrizaga-Lejarreta M, Beraza N, et al. The feasibility study of solar irrigation: Economical comparison between diesel and photovoltaic water pumping systems for different crops[J]. International Conference on Electrical Information & communication Technology, 2014, 7(1): 1－5.

[2] Vick B D, Clark R N. Experimental investigation of solar powered diaphragm and helical pumps [J]. Solar Energy, 2011, 85(5): 945－954.

[3] Lei Xie, Shijie Yu, Fei Wang, et al. The experimental and simulation research on system efficiency of photovoltaic pumping system[A]. The 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications[C], Xi'an，2009.

[4] Borowy B S，Salameh Z M. Methodology for optimally sizing the combination of a battery bank and PV array in a wind/PV hybrid system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 1996, 11(2): 367－373.

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

[6] Mokeddem A, Midoun A, Kadri D, et al. Performance of a directly-coupled PV water pumping system[J]. Energy Conversion & Management, 2011, 52(10):3089－3095.

[7] Jiangmen Ruirong pump industry Co. Ltd. Datasheet of 4’submersible pumps of R95 series[EB/OL]. http://www.ruirong. com/cn/4-SUBMERSIBLE-PUMP.htm, 2016.

2016-10-25

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