不同扬程小型太阳能直流水泵的性能实验对比研究

王文仪 刘祖明 朱勋梦 李杰慧 赵义芬 李光明 侯立宏

(1.云南师范大学太阳能研究所，教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南省农村能源工程重点实验室；2.云南卓业能源有限公司；3.昆明冶研新材料股份有限公司)

一 引言

太阳能水泵是利用太阳电池供电，带动水泵从水源提水的设备，具有噪声低、无污染、简单、经济等诸多优点。对于光伏水泵系统的研究，国外起步得较早，早在20世纪70年代后期就开始进行研究[1]，分析了光伏水泵系统的性能[2,3]，探讨了光伏电池板、直流电机和水泵的直接耦合，但效率较低。Odeh I 等[4]研究了光伏水泵的提水高度、太阳辐射强度及电池阵列尺寸大小对系统的影响，以求得到系统的最佳匹配；何慧若等[5]分析了影响光伏水泵系统负载配置最优选择的要素，得出以每峰瓦太阳电池水能当量值最大为目标的光伏水泵系统负载配置的最优解。Pande P C等[6]设计开发了太阳能光伏水泵，通过滴流为果园灌溉，增加果树产量。余世杰等[7]对光伏水泵系统的经济效益和环境效益与柴油机水泵做了比较分析，结果表明光伏水泵具有良好的经济效益和环境效益，其免维护较柴油机更显示出优越性。程荣香等[8]通过对光伏提水进行农作物微灌试验示范的介绍，给出了干旱、半干旱地区农作物需水量和滴灌系统需能量的计算方法，分析了利用光伏提水微灌技术的经济性，计算表明，光伏提水微灌的单位提水成本为0.073元/m3，仅为柴油机提水成本的1/3，显示出光伏水泵的优势。近年来，云南省一些地区进行了多项光伏水泵取水示范工程，运行良好，用户反应也较好。

本文在原有研究的基础上，对不同扬程的小型太阳能直流水泵进行对比实验研究，得出了不同扬程的小型太阳能直流水泵的适用范围，既能解决阳光充足、偏远无电力地区供应抽水问题，又能扩大太阳能水泵的使用范围。该装置重量轻、易拆装、携带方便、可就地安装就地使用，光伏组件的倾角和方位角度可方便调整，使太阳电池输出达到最大，且系统在安装使用时可不使用跟踪器，降低成本，提高经济效益。

二 系统设计及安装

1 系统设计

该系统能方便地调整太阳电池组件的最佳倾角，使太阳电池的输出功率达到最大，而无需采用跟踪器。该系统主要部件为太阳电池组件(功率分别为40W及80W)，此外还包括支杆、底部有带刻度的1/4圆弧(与水平尺能准确读出α的大小，可在0～90¡之间变化）、水平尺(始终处在水平面上，与电池板形成α角)、螺钉(固定支杆、水平尺)；微型直流水泵(功率分别为16W和45W)以及进水端、出水端(图1)。对于不同功率的水泵，之所以配备水泵功率两倍左右的光伏组件，主要是考虑水泵能在较低的太阳辐射下就开始工作，如一般正午时太阳辐照度接近1kW/m2，这样在400W/m2左右的实际辐照度下水泵就可以工作，水泵在昆明晴天的工作时间约为8h。

2 安装

实验前需对太阳电池组件进行调节，如图1所示。安装时，首先计算或查出当地太阳电池组件的最佳安装角，通过调节支杆及水平尺，使α角与最佳倾角一致；组件输出端与水泵的输入端正确连接(实验前把水泵灌满水再接上水管，避免空气阻力影响水泵的流量及提水高度)。

三 系统测试及分析

1 实验方案

本实验对配置好的不同扬程太阳电池光伏水泵进行实际测试研究。33¡倾角朝正南方向，在不同的提水高度处，均提起一桶水(合14.5L)。在保持组件输出功率一定的条件下，由实验数据分别做出提水高度与时间及辐照度与时间的关系，为今后光伏水泵的工作提供参考。

2 实验结果与分析

不同水泵提水高度与时间的变化关系如图2所示。当抽取一定量的水(实验中的提水量为14.5L)时，提水高度越高，所需时间越长。从图2看出，系统1的提水高度为0～30m，系统2的提水高度曲线在0～55m内变化缓慢，近似为一条直线，说明在此范围内提水较为理想。此外系统1的提水高度曲线在30～40m、40～50m时比0～30m时更陡峭，系统2提水高度曲线在55～60m、60～70m时比0～55m时陡峭，表明两系统分别在30～50m及55～70m范围内提水可满足一定的抽水量，也具有一定的使用价值；但当提水高度分别达到50m及70m以后，特别是接近扬程时曲线变化更加陡峭，近乎与横轴垂直，即时间为无限，说明此时用来抽水已没有实用意义。

从图2也可以看出，水泵实际扬程与理论扬程之间的比值为0.75～0.85，而系统的提水高度在实际扬程的2/3左右时较为适用。

图3显示了辐照度与时间的关系曲线图。从图3中可看出，当辐照度大于450W/m2时即可满足该光伏水泵的抽水工作；而当辐照度小于200W/m2时水泵将不再抽水。

对光伏组件(太阳电池用量计算)和水泵功率的选择进行了相关研究[9,10]，最终使能量损失减少。

四 结论

本文从小型水泵的设计到实验，得出了满足该光伏水泵工作的最小辐照度，并得到提水高度与时间、辐照度与提水时间之间的关系，为今后光伏水泵的工作提供参考。

(1)配置的不同扬程的小型太阳能直流水泵，装置简单、实用，无需跟踪器，能方便地让太阳光直入射太阳电池组件，使效益得到提高。当辐照度大于450W/m2时运行良好，而当辐照度小于200W/m2时水泵将不再抽水。

(2)系统的提水高度在实际扬程的2/3时较为适用。

[1]Roger J A. Theory of the direct coupling between DC motors and photovoltaic solar arrays[J]. Solar Energy, 1979, 23(3):193－198.

[2]Roger Hsiao Y, Blevins Bruce A. Direct coupling of photovoltaic power source to water pumping system[J]. Solar Energy, 1984, 32(4):489－498.

[3]Anis W, Kerbache T, Mertens R, et al. Detailed analysis for photovoltaic powered water pumping systems[J]. Solar and Wind Technology, 1984, 1(4):197－205.

[4]Odeh I, Yohanis Y G, Norton B. Influence of pumping head,insolation and PV array size on PV water pumping system performance[J]. Solar Energy, 2006, 80(1):51－64.

[5]何慧若, 余世杰, 沈维祥. 光伏水泵系统负载配置的最优选择[J]. 太阳能学报, 1992, 13(4):315－320.

[6]Pande P C, Singh A K, Ansari S, et al. Design development and testing of a solar PV pump based drip system for orchards[J].Renewable Energy, 2003, 28(3):385－396.

[7]余世杰, 何慧若, 沈玉梁, 等. 经济效益和环境效益的结合——光伏水泵系统[J].合肥工业大学学报(自然科学版), 2000, 23(2):154－159.

[8]程荣香, 张瑞强. 光伏提水技术在农作物灌溉上的应用[J]. 可再生能源, 2008, 26(1):72－78.

[9]熊绍珍, 朱美芳. 太阳能电池基础与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2009: 557－561.

[10]Short T D, Burton J D. The benefits of induced flow solar powered water pumps[J]. Solar Energy, 2003, 74(1):77－84.