太阳能水泵的利用

太阳能储量大、分布广、清洁安全。光伏水泵技术就是这样一种可以充分利用太阳能，不消耗燃料和其他有机能的技术。无污染，有利于环保节能，太阳能电池使用寿命长，维护成本低。该技术在干旱地区生活供水和灌溉方面具有广阔的应用前景。光伏水泵具有无噪音、全自动化、可靠性高、供水和蒸发适应性好等诸多优点。我国太阳能电池的产量远远大于使用量。各种形式的水泵都是耗能产品。全球泵类产品消耗的电力约占总发电量的 20%。为了节约能源，大力推广光伏水泵系统是一种需要，也是一条重要的发展之路。

1、光伏水泵的原理

光伏水泵系统是一种比较典型的“光能、机、电一体化”系统。它涉及太阳能的收集和转换以及电力电子、电机、水机和计算机控制等多个学科，对节能具有重要意义。光伏水泵系统的基本工作原理是利用太阳能转换而来的电能，然后通过控制驱动电机来驱动光伏水泵运行。

从电路上看，光伏水泵系统的基本结构可分为光伏阵列、最大功率点跟踪器、电力电子逆变器和电动机水泵四部分。其中，光伏阵列由大量串并联的光伏电池组成，其功能是将太阳能直接转换为直流电能。该系统使用单晶硅光伏电池，其伏安特性必须调整和控制才能优化：最大功率点跟踪器是整个系统的核心。它的功能是使整个系统始终在最佳工作点运行，并在不同的太阳能条件下将尽可能多的太阳能转化为电能，使电源和负载达到和谐、高效、稳定的工作状态;电力电子逆变器是 Maximum Power Point Tracker 的功率执行单元。根据最大功率点跟踪器的控制信号，发出不同频率的PWM电压波形，驱动电机水泵工作，同时具有相应的保护功能;电机水泵是系统的最终执行单元，完成稳定可靠的出水。本系统中的电动水泵是根据用户对扬程和水输出的要求设计的，同时兼顾光伏阵列的电压和功率等级要求。

2、光伏水泵的作和控制

目前，太阳能光伏水泵控制系统多采用最大功率点跟踪技术，以优化太阳能电池与负载之间的匹配。主电路采用BUCK软开关结构，单片机实现PWM调制转换器的占空比，改变充电电流，优化太阳能电池阵列的最大功率输出。这种类型的控制器在充分利用太阳能电池阵列输出能量的同时，使充电电流成为脉冲电流，减少了电池的极化，主电路软开关结构使开关管能够实现 ZVS 关断和 ZCS 开路，从而提高充电效率。

太阳能电池的基本特性与二极管相似，这可以用简单的 PN 结来解释。电池单元是光电转换的最小单元，一般不单独用作电源。太阳能电池单元串联、并联和封装后，它们成为功率为几瓦、几十瓦和数百瓦的太阳能电池组件。许多太阳能电池组件串并联后，形成太阳能电池显示器，形成“太阳能电动机”。

目前使用的太阳能电池都是硅太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池。它们可以串联和并联连接，并可用作太阳能电池。由于光伏阵列的输出伏安特性曲线是强非线性的，并且与太阳辐照度、环境温度和气象条件密切相关。因此，为了使光伏水泵系统工作在相对理想的工作状态，需要一个相对理想的控制环节。整个控制环节中最重要的部分是电机的控制。电机的控制运行不仅要求良好的稳定性，而且要求良好的动态特性，因此锁相环的相位跟踪应具有良好的动态性能，即必须能够实现快速的相位跟踪，否则会影响系统的加减速性能，或在突发负载条件下， 电子换向误差过大，导致电机失步。

对于光伏水泵系统，由于电机的负载是水泵，因此其负载转矩与转速的平方成正比。速度越低，负载阻力矩越小。因此，只要克服摩擦扭矩，冰泵电机所需的启动扭矩就非常小。因此，无位置传感器换向方式的特点非常适合光伏水泵系统对电机驱动控制的要求。至于水泵的最大限速、电机过载电流限制、水泵空载电流设定、水泵停机低限速设定、停机重启延时时间设定、故障停机次数限位设定等相关控制，必须进行智能控制，流量变化时也必须改变功率， 使太阳能电池、电机和水泵达到最佳匹配。

3. 光伏水泵的前景

简而言之，光伏水泵系统是近年来发展迅速的一种光机一体化系统。它利用太阳能电池产生的电力驱动直流、永磁、无刷、无位置传感器、定转子双塑料密封电机或高效异步电动机或高速开关磁阻电机，通过最大功率点跟踪、转换、控制等装置驱动高效水泵，将水从地表深处引到地面，用于农田灌溉或人畜饮用。从设计到制造，涉及电气、机械、电力电子、计算机、控制等多个学科的现代技术，为现代农业的发展和节能环保提供了极好的手段。该系统具有良好的长期经济性能，特别是与普通柴油机抽水相比，它具有压倒性的经济优势。这种新型环保节能产品的开发，无疑将为工业和经济的发展，特别是干旱地区现代农业的发展带来巨大的经济效益和社会效益。它特别符合建设“资源节约型”和“环境友好型”社会的发展战略。光伏水泵利用太阳能，可灵活用于农田灌溉，为人畜提供清洁饮用水，发展庭院经济，美化公园，建造五颜六色的喷泉，给鱼虾池充氧，为海滨盐田供排水，无需任何外部能源。