浅谈光伏跟踪灌溉系统

浅谈光伏跟踪灌溉系统摘要：介绍了光伏灌溉系统的相关配置方案、设计方法及主要设备参数的计算方式。光伏灌溉系统是解决缺水、缺电地区灌溉用水问题的新方法，对农业灌溉、荒漠治理有很好的利用价值。关键词：光伏；灌溉；设计1、 引言光伏灌溉系统是将光伏技术与农业灌溉技术有机接合，利用太阳能为灌溉系统提供动力源，实现农业灌溉，有效达到节能、节水、农业增产、增收的目的，是一项具有广阔应用前景和巨大社会及经济价值的现代农业技术。2、 光伏灌溉系统的设计光伏灌溉系统按照水泵电机类型可分为直流系统和交流系统，本文介绍利用交流水泵电机的光伏灌溉系统。光伏灌溉系统一般由太阳能光伏电池阵列、光伏水泵逆变器、光伏水泵及输水管道组成。光伏灌溉系统利用太阳能光伏电池阵列接收太阳光辐射能量，将其转换为直流电能，通过光伏水泵逆变器的交直流变换，驱动光伏水泵从深井、江、河、湖等水源地提水，再通过输水管道将水输送到目的地，以满足灌溉用水需求。光伏灌溉系统的基本组成如图1所示。光伏灌溉技术属于太阳能光伏发电利用的前沿应用技术，与光伏并网发电技术和光伏离网发电技术都不相同。与光伏并网系统相比，光伏灌溉系统有独立的用电负载，可选择不进行并网发电；与光伏离网系统相比，光伏灌溉系统没有储电单元。2.1光伏水泵光伏灌溉系统中选用的光伏水泵一般选择专用潜水泵。从液池中被抽吸上来又连续不断地从排出管流出。光伏水泵主要技术性能包括流量、扬程、功率等。1）流量（Q），是指单位时间内所排出的液体的数量，通常泵的流量用体积计算。2）扬程（H），是指单位重量的液体通过泵所增加的能量，实质上就是水泵能够扬水的高度，又叫总扬程或全扬程。3）功率（P），指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称轴功率。即泵在一定流量和扬程下，动机单位时间内给予泵轴的功。选取电动机的输出功率大于轴功率。在光伏灌溉系统设计时，首先要确定灌溉用水每天或每小时所需要的系统流量，以及系统所需要的工作扬程，从而确定所需要的光伏水泵的功率。当光伏水泵转速一定时，流量与扬程、流量与功率的关系，如图2所示。对于小功率光伏灌溉系统，尤其是3kW以下的，由于系统输入直流电压一般较低，所以多数采用220V/50HZ的交流光伏水泵。若功率大于5kW的光伏灌溉系统，多建议采用380V/50HZ的交流光伏水泵水泵。2.2光伏水泵逆变器光伏水泵逆变器是将光伏阵列的直流电转换交流电并驱动光伏水泵工作的主要部件。光伏水泵逆变器的主回路示意图如图3所示。在光伏灌溉系统设计中，一般选用的光伏水泵逆变器的功率应当与光伏水泵功率相同，或略大于光伏水泵功率。2.2.1主要技术和功能要求光伏水泵逆变器既不同于并网逆变器，又不同于离网逆变器，是一种新型的光伏逆变器应用方式，其技术要点和难点与离并网逆变器有很多相同的地方，也有很多不同的地方。1） 必须具备最大功率点跟踪技术（MPPT）。尤其在日照强度快速变化时跟踪效果要好。具备良好的最大功率点跟踪技术（MPPT），响应速度要快，运行稳定性要好，能够有效提高太阳能光伏阵列的太阳辐照能的利用率。2） 工作效率要高。光伏水泵逆变器的工作效率的高低对光伏灌溉系统提水能力的高低起到很重要的作用，而且也决定了太阳能光伏阵列所发直流电能利用率的高低。3） 带载能力要强。光伏水泵逆变器由于没有储电单元，光伏水泵逆变器应该具有良好的弱功率工作特性，应具有加入动态V/f曲线控制特性，以适应不同类型的水泵，提高启动阈值和弱功率下的输出转矩，保证光伏水泵在日照较差的情况下也可工作，最大限度利用太阳能光伏电池阵列发的电能。4） 具有完善的保护机制，如防雷、过压、欠压、过流、过载、自动打干识别、电机堵转、故障侦测、低日照、输出短路故障、输出缺相等保护功能。5） 上下水位检测与控制电路，能够根据系统需要设定相关参数，防止蓄水池溢水或水源地缺水等不利情况的出现。6） 应具备一定的防护能力，尤其是需安装在室外的光伏水泵逆变器，防护等级应该在IP65以上。7） 光伏水泵逆变器应具备通讯接口，有利于光伏灌溉系统的远程数据采集和监控。2.2.2水位监控功能的实现蓄水池水位高于高水位时，停止注水；低于低水位时，恢复注水；水源地水位低于低水位时，停止扬水；高于高水位时，恢复扬水。水位监控功能实现的方式方法有很多种，现绍一种最简单最容易操作的水位监控方法。根据现场环境及用户需求，确定水源地高低水位报警位置点和蓄水池高低水位报警位置点。选用两套水位传感器分别对水源地和蓄水池进行高低水位监控。每套水位传感器由3根端部裸露（相当于电极）的信号线组成，利用水是电良好导体的原理，通过判断每套水位传感器信号端子导通的情况确定水位状态，进行相应的控制。水源地水位传感器安装要求：高水位最高，低水位线次之，公共线最低。低水位电极应在水泵进水口之上，高水位应在水源地静态水位之下。蓄水池水位传感器安装要求：高水位最高，低水位线次之，公共线最低。低水位电极在蓄水池缺水水位之上，高水位探头在水箱溢出水位之下。2.2.3安装注意事项为光伏水泵逆变器安装方式及安装场地的选择，会影响到其运行性能的好坏。光伏水泵逆变器在安装时，应注意以下几点：1）安装前对机器进行仔细的测试与检查；2）选择安装场地应足够坚固，能长时间支撑光伏水泵逆变器的重量（如混凝土墙质或钢质材料）；3）具有防护等级IP65的逆变器，可安装至室外;4）安装场地应方便安装人员进行操作安装、电气连接和后期的维护维修；5）请勿将逆变器安装于易燃性墙面上或将逆变器安装在内含有可燃性气体和材料的空间内（如电池室、燃料存储室）；6）勿将逆变器安装在阳光直射处，否则可能导致逆变器内部温度偏高而降额运行，甚至温度过高引发逆变器温度故障；7）逆变器安装场地需清洁，环境温度保持在-25〜+60C；8）逆变器采用自然冷却方式，选择安装场地应保证逆变器与固定对象及邻近逆变器最小安装间距，以保证通风散热。2.3太阳能光伏电池阵列太阳能光伏电池阵列是光伏灌溉系统所需能源的提供者，它是由很多单个的太阳能光伏电池组件通过设计进行串并联连接而组成的。在光伏灌溉系统设计时，一方面要考虑到太阳能光伏阵列的功率越大，提供给系统的能量越多，同样光照和水源条件下，出水量就越大；另一方面要考虑到由于太阳能光伏电池组件的价格比较昂贵，盲目的加大容量会大大增加系统投资成本的问题。在设计光伏阵列容量时，主要需要考虑光伏阵列的效率损失问题：1)一般情况下，项目现场的环境温度比较高，春夏季环境温度能达到40°C，加上辐射带来的温升，比标准测试条件高30〜40C，按目前晶体硅组件功率温度系数约-0.4%/C计算，大约产生12%〜16%温度损失；2)项目现场一般都是在野外、沙漠、戈壁等地区，光伏组件上的灰尘遮挡导致的损失约计5%；3)组件功率匹配之间的损耗，约占功率的5%；4)直流电缆线路中的能量损耗，约占功率的3%；5)逆变器效率损失按3%考虑。根据上面的分析统计，光伏阵列的效率损失大概在25%〜30%，因此，光伏阵列功率容量一般取光伏水泵逆变器功率的1.3〜1.5倍为宜。在太阳能光伏电池阵列安装时，要将阵列朝向面向南方，而且要避免周围建筑物或植物的遮挡，以及光伏阵列之间的遮挡；安装的角度应当根据当地的地理位置等参数，按照光伏阵列的最佳倾斜角度安装，若现场条件不允许时，应设计安装角度尽量靠近最佳倾斜角度。由于安装角度造成的光伏阵列功率损失，可以选择加大光伏阵列功率容量的方式进行弥补。3、结论光伏扬水系统用于农业灌溉，技术上是完全可行的，且对于广大缺水、缺电地区，较架设电网或采用柴油发电灌溉的方式，具有综合投资少、节能、环保、可靠性高、使用、维护方便等特点，对农业增产、增收具有巨大的经济价值。参考文献：初探光伏滴灌工程施工与运行调试要点[J].李文.现代农业.2015(09)太阳能光伏提水系统在海南农业中的应用[J].杨志斌，林青青，黎勇，陈建梅，周学东，于向春.热带农业科学.2013(