淺談光伏跟蹤灌溉系統(tǒng)

淺談光伏跟蹤灌溉系統(tǒng)摘要：介紹了光伏灌溉系統(tǒng)的相關(guān)配置方案、設(shè)計(jì)方法及主要設(shè)備參數(shù)的計(jì)算方式。光伏灌溉系統(tǒng)是解決缺水、缺電地區(qū)灌溉用水問題的新方法，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、荒漠治理有很好的利用價(jià)值。關(guān)鍵詞：光伏；灌溉；設(shè)計(jì)1、 引言光伏灌溉系統(tǒng)是將光伏技術(shù)與農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)有機(jī)接合，利用太陽(yáng)能為灌溉系統(tǒng)提供動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉，有效達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收的目的，是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景和巨大社會(huì)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)。2、 光伏灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)光伏灌溉系統(tǒng)按照水泵電機(jī)類型可分為直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)，本文介紹利用交流水泵電機(jī)的光伏灌溉系統(tǒng)。光伏灌溉系統(tǒng)一般由太陽(yáng)能光伏電池陣列、光伏水泵逆變器、光伏水泵及輸水管道組成。光伏灌溉系統(tǒng)利用太陽(yáng)能光伏電池陣列接收太陽(yáng)光輻射能量，將其轉(zhuǎn)換為直流電能，通過光伏水泵逆變器的交直流變換，驅(qū)動(dòng)光伏水泵從深井、江、河、湖等水源地提水，再通過輸水管道將水輸送到目的地，以滿足灌溉用水需求。光伏灌溉系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。光伏灌溉技術(shù)屬于太陽(yáng)能光伏發(fā)電利用的前沿應(yīng)用技術(shù)，與光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)和光伏離網(wǎng)發(fā)電技術(shù)都不相同。與光伏并網(wǎng)系統(tǒng)相比，光伏灌溉系統(tǒng)有獨(dú)立的用電負(fù)載，可選擇不進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電；與光伏離網(wǎng)系統(tǒng)相比，光伏灌溉系統(tǒng)沒有儲(chǔ)電單元。2.1光伏水泵光伏灌溉系統(tǒng)中選用的光伏水泵一般選擇專用潛水泵。從液池中被抽吸上來又連續(xù)不斷地從排出管流出。光伏水泵主要技術(shù)性能包括流量、揚(yáng)程、功率等。1）流量（Q），是指單位時(shí)間內(nèi)所排出的液體的數(shù)量，通常泵的流量用體積計(jì)算。2）揚(yáng)程（H），是指單位重量的液體通過泵所增加的能量，實(shí)質(zhì)上就是水泵能夠揚(yáng)水的高度，又叫總揚(yáng)程或全揚(yáng)程。3）功率（P），指輸入功率，即原動(dòng)機(jī)傳到泵軸上的功率，故又稱軸功率。即泵在一定流量和揚(yáng)程下，動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)給予泵軸的功。選取電動(dòng)機(jī)的輸出功率大于軸功率。在光伏灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要確定灌溉用水每天或每小時(shí)所需要的系統(tǒng)流量，以及系統(tǒng)所需要的工作揚(yáng)程，從而確定所需要的光伏水泵的功率。當(dāng)光伏水泵轉(zhuǎn)速一定時(shí)，流量與揚(yáng)程、流量與功率的關(guān)系，如圖2所示。對(duì)于小功率光伏灌溉系統(tǒng)，尤其是3kW以下的，由于系統(tǒng)輸入直流電壓一般較低，所以多數(shù)采用220V/50HZ的交流光伏水泵。若功率大于5kW的光伏灌溉系統(tǒng)，多建議采用380V/50HZ的交流光伏水泵水泵。2.2光伏水泵逆變器光伏水泵逆變器是將光伏陣列的直流電轉(zhuǎn)換交流電并驅(qū)動(dòng)光伏水泵工作的主要部件。光伏水泵逆變器的主回路示意圖如圖3所示。在光伏灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般選用的光伏水泵逆變器的功率應(yīng)當(dāng)與光伏水泵功率相同，或略大于光伏水泵功率。2.2.1主要技術(shù)和功能要求光伏水泵逆變器既不同于并網(wǎng)逆變器，又不同于離網(wǎng)逆變器，是一種新型的光伏逆變器應(yīng)用方式，其技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)與離并網(wǎng)逆變器有很多相同的地方，也有很多不同的地方。1） 必須具備最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）。尤其在日照強(qiáng)度快速變化時(shí)跟蹤效果要好。具備良好的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT），響應(yīng)速度要快，運(yùn)行穩(wěn)定性要好，能夠有效提高太陽(yáng)能光伏陣列的太陽(yáng)輻照能的利用率。2） 工作效率要高。光伏水泵逆變器的工作效率的高低對(duì)光伏灌溉系統(tǒng)提水能力的高低起到很重要的作用，而且也決定了太陽(yáng)能光伏陣列所發(fā)直流電能利用率的高低。3） 帶載能力要強(qiáng)。光伏水泵逆變器由于沒有儲(chǔ)電單元，光伏水泵逆變器應(yīng)該具有良好的弱功率工作特性，應(yīng)具有加入動(dòng)態(tài)V/f曲線控制特性，以適應(yīng)不同類型的水泵，提高啟動(dòng)閾值和弱功率下的輸出轉(zhuǎn)矩，保證光伏水泵在日照較差的情況下也可工作，最大限度利用太陽(yáng)能光伏電池陣列發(fā)的電能。4） 具有完善的保護(hù)機(jī)制，如防雷、過壓、欠壓、過流、過載、自動(dòng)打干識(shí)別、電機(jī)堵轉(zhuǎn)、故障偵測(cè)、低日照、輸出短路故障、輸出缺相等保護(hù)功能。5） 上下水位檢測(cè)與控制電路，能夠根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)定相關(guān)參數(shù)，防止蓄水池溢水或水源地缺水等不利情況的出現(xiàn)。6） 應(yīng)具備一定的防護(hù)能力，尤其是需安裝在室外的光伏水泵逆變器，防護(hù)等級(jí)應(yīng)該在IP65以上。7） 光伏水泵逆變器應(yīng)具備通訊接口，有利于光伏灌溉系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。2.2.2水位監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)蓄水池水位高于高水位時(shí)，停止注水；低于低水位時(shí)，恢復(fù)注水；水源地水位低于低水位時(shí)，停止揚(yáng)水；高于高水位時(shí)，恢復(fù)揚(yáng)水。水位監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)的方式方法有很多種，現(xiàn)紹一種最簡(jiǎn)單最容易操作的水位監(jiān)控方法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及用戶需求，確定水源地高低水位報(bào)警位置點(diǎn)和蓄水池高低水位報(bào)警位置點(diǎn)。選用兩套水位傳感器分別對(duì)水源地和蓄水池進(jìn)行高低水位監(jiān)控。每套水位傳感器由3根端部裸露（相當(dāng)于電極）的信號(hào)線組成，利用水是電良好導(dǎo)體的原理，通過判斷每套水位傳感器信號(hào)端子導(dǎo)通的情況確定水位狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的控制。水源地水位傳感器安裝要求：高水位最高，低水位線次之，公共線最低。低水位電極應(yīng)在水泵進(jìn)水口之上，高水位應(yīng)在水源地靜態(tài)水位之下。蓄水池水位傳感器安裝要求：高水位最高，低水位線次之，公共線最低。低水位電極在蓄水池缺水水位之上，高水位探頭在水箱溢出水位之下。2.2.3安裝注意事項(xiàng)為光伏水泵逆變器安裝方式及安裝場(chǎng)地的選擇，會(huì)影響到其運(yùn)行性能的好壞。光伏水泵逆變器在安裝時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）安裝前對(duì)機(jī)器進(jìn)行仔細(xì)的測(cè)試與檢查；2）選擇安裝場(chǎng)地應(yīng)足夠堅(jiān)固，能長(zhǎng)時(shí)間支撐光伏水泵逆變器的重量（如混凝土墻質(zhì)或鋼質(zhì)材料）；3）具有防護(hù)等級(jí)IP65的逆變器，可安裝至室外;4）安裝場(chǎng)地應(yīng)方便安裝人員進(jìn)行操作安裝、電氣連接和后期的維護(hù)維修；5）請(qǐng)勿將逆變器安裝于易燃性墻面上或?qū)⒛孀兤靼惭b在內(nèi)含有可燃性氣體和材料的空間內(nèi)（如電池室、燃料存儲(chǔ)室）；6）勿將逆變器安裝在陽(yáng)光直射處，否則可能導(dǎo)致逆變器內(nèi)部溫度偏高而降額運(yùn)行，甚至溫度過高引發(fā)逆變器溫度故障；7）逆變器安裝場(chǎng)地需清潔，環(huán)境溫度保持在-25?+60C；8）逆變器采用自然冷卻方式，選擇安裝場(chǎng)地應(yīng)保證逆變器與固定對(duì)象及鄰近逆變器最小安裝間距，以保證通風(fēng)散熱。2.3太陽(yáng)能光伏電池陣列太陽(yáng)能光伏電池陣列是光伏灌溉系統(tǒng)所需能源的提供者，它是由很多單個(gè)的太陽(yáng)能光伏電池組件通過設(shè)計(jì)進(jìn)行串并聯(lián)連接而組成的。在光伏灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要考慮到太陽(yáng)能光伏陣列的功率越大，提供給系統(tǒng)的能量越多，同樣光照和水源條件下，出水量就越大；另一方面要考慮到由于太陽(yáng)能光伏電池組件的價(jià)格比較昂貴，盲目的加大容量會(huì)大大增加系統(tǒng)投資成本的問題。在設(shè)計(jì)光伏陣列容量時(shí)，主要需要考慮光伏陣列的效率損失問題：1)一般情況下，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度比較高，春夏季環(huán)境溫度能達(dá)到40°C，加上輻射帶來的溫升，比標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件高30?40C，按目前晶體硅組件功率溫度系數(shù)約-0.4%/C計(jì)算，大約產(chǎn)生12%?16%溫度損失；2)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)一般都是在野外、沙漠、戈壁等地區(qū)，光伏組件上的灰塵遮擋導(dǎo)致的損失約計(jì)5%；3)組件功率匹配之間的損耗，約占功率的5%；4)直流電纜線路中的能量損耗，約占功率的3%；5)逆變器效率損失按3%考慮。根據(jù)上面的分析統(tǒng)計(jì)，光伏陣列的效率損失大概在25%?30%，因此，光伏陣列功率容量一般取光伏水泵逆變器功率的1.3?1.5倍為宜。在太陽(yáng)能光伏電池陣列安裝時(shí)，要將陣列朝向面向南方，而且要避免周圍建筑物或植物的遮擋，以及光伏陣列之間的遮擋；安裝的角度應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢玫葏?shù)，按照光伏陣列的最佳傾斜角度安裝，若現(xiàn)場(chǎng)條件不允許時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)安裝角度盡量靠近最佳傾斜角度。由于安裝角度造成的光伏陣列功率損失，可以選擇加大光伏陣列功率容量的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。3、結(jié)論光伏揚(yáng)水系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，技術(shù)上是完全可行的，且對(duì)于廣大缺水、缺電地區(qū)，較架設(shè)電網(wǎng)或采用柴油發(fā)電灌溉的方式，具有綜合投資少、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高、使用、維護(hù)方便等特點(diǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。參考文獻(xiàn)：初探光伏滴灌工程施工與運(yùn)行調(diào)試要點(diǎn)[J].李文.現(xiàn)代農(nóng)業(yè).2015(09)太陽(yáng)能光伏提水系統(tǒng)在海南農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].楊志斌，林青青，黎勇，陳建梅，周學(xué)東，于向春.熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué).2013(