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不同功率微型太阳能直流水泵系统性能对比实验研究王文仪， 朱勋梦， 刘祖明， 廖华， 张剑钢， 昝锦羽， 孙启利（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 ，云南卓业能源有限公司 ，云 南昆 明 ）摘 要 ：自行配置了两套微型太阳能直流水泵 系 统 ，并在昆明地区对其进行了性 能 测 试 研 究 测 试 结果 表 明 ：提水高度在最大提水高度的 左 右 较 为 适 用 ，、 水 泵 分 别 在 及 时 运 行 良 好 ，不随辐照度的增强而变化 。关 键 词 ： 直 流 水 泵 系 统 ；提 水 高 度 ；辐 照 度 ；流 量中 图 分 类 号 ： 文 献 标 志 码 ： 文 章 编 号 ： （）随 着 光 伏 发 电 技 术 的 发 展 ，光 伏 水 泵 系 统 也不 断 地 发 展 并 应 用 到 生 产 生 活 中 。 “光 伏 水 泵 系 统”也 被 称 作“太 阳 能 光 电 水 泵 系 统”，光 伏 水 泵 动 力 是 由 具 有 节 能 及 环保效益的太阳能直接提供 ， 并可以 根据 需水量及提 水高度 选 择系统中水泵类 型 及 大 小 。 该 系统具有噪声低 、无 污 染 、简 单 、经 济 等 诸 多 优 点 ，因 此 ，越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 。 国 外 很 早 就 开始研究光伏水泵系统，国 内 也 在 世 纪 年代末期开始了 研 究。设 计 开 发 了 太 阳 能 光 伏 水 泵 ，通 过 滴 流 为 果 园 灌 溉 ，增 加 了 果 树 产 量 ；很多人对光伏水泵 的 经济性进 行 了 分 析，并对光伏水泵系 统 的经 济 效 益 和 环 境 效 益 与 柴 油机水泵做了比 较 分析 ，得 到 了 光 伏 水 泵 具 有 良 好的经济效益和 环 境效益 ，它 的 免 维 护 性 较 柴 油 机 更 显 其 优 越 性 ；程 荣 香 、张 瑞 强通 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 元 ，仅 为 柴 油 机 提 水 成 本 的 此 外 ，光 伏 水 泵 提 水 与 太 阳 能 资 源 有很 好 的 匹 配 性 ，干旱需要水的时候往 往 也是太阳 能 最 强 的 时 候 ，阴雨天抽水量少需水 量 也相应较 少 ；另 一 方 面 太 阳 能 强 时 水 泵 可 多 抽 水 ，弱 时 少 抽水 或 不 抽 水 ，将 储 电 变 成 储 水 ，不 需 要 蓄 电 池 ，大 大 节 约 了 光 伏 系 统 的 成 本 ，是 最 好 的 光 伏 应 用 技 术 之 一 。本文配置了 两 套 微 型太阳能直流水泵系统并 进 行 性 能 测 试 ，得出了满足该光伏水泵工作的最 小 辐 照 度 及 正 常工作的福照度 ，并 做 出 了 系 统 提 水 高 度 和 时 间 、辐 照 度 和 流 量 之 间 的 关 系 ，得 出 了 系 统 的 最 佳 提 水高度范围及全天抽水量 ，全 天 抽 水 时 间 与 组 件 配 比 关 系 ，能 为 今 后 光 伏 水 泵 的 应 用 提 供 参 考 。系统设计及安装 系 统 设 计系 统 中 水 泵 的 选 取光 伏 水 泵 系 统中水泵是核心部分 ，可 分 为 直流 和 交 流 两 种 。 从 光 伏 发 电 特 点 （直 流 输 出 ）来 说 ，直 流 水 泵 更 适 合 与 光 伏 组 合 ，并且效率较交流 泵 要 高 ，本 文 选 用 的 是 两 种 不 同 功 率 （系 统 ：，扬 程 ；系 统 ：，扬 程 ）的 高 扬 程 直 流 水 泵 。系 统 中 光 伏 组 件 选 取 收 稿 日 期 ：项 目 基 金 ：云南省科技计划项目（）作 者 简 介 ：王 文 仪（），女 ，云 南 会 泽 人 ，硕 士 研 究 生 ，主要从事光伏发电系统与应用工程方面的研究 通 信 作 者 ：刘 祖 明（），男 ，博 导 ，教 授 ，主要从事太阳电池及光伏系统研究与开发 云南师范大学学报（自 然 科 学 版）第 卷系 统 中 电 力 完 全 由 光 伏 组 件 提 供 ，且 光 伏 发电 电 量 受 太 阳 辐 照 影 响 较 大，在 系 统 中 需 要 选择 设 计 适 当 的 光 伏 组 件 大 小 。 图 为 昆 明 一 月 份 某 天 全 天 辐 照 随 时 间 变 化 图 。图 中 支 杆 ，带 刻 度 的 四 分 之 一 圆 弧 （与水平 尺 能 准 确 的 读 出 的 大 小 ，可 在 度 之 间 改 变），水 平 尺 （始 终 处 在 水 平 面 上 ，与 电 池 板 形 成 角），螺 钉 、（固 定 支 杆 、水 平 尺 ），进 水 端 、出 水 端，通 过 调 节 支 杆 及 水 平 尺，使角 与 最 佳 倾 角 一 致 。系 统 测 试实 验 方 案对 配 置 好 的 光伏水泵系统进行实验 ，测 试 在不 同 的 高 度 将 水 提 起 所 用 时 间 及 对 应 辐 照 强 度 ，分 析 处 理 实 验 结 果 ，作 提 水 高 度 与 时 间 ，辐 照 度 与 流 量 的 关 系 图 ，为 今 后 类 似 光 伏 水 泵 系 统的相关工作 提 供 参 考 。图 全天辐照与时间的关系 系 统 测 试 结 果 及 分 析按 图 将实 验 装 置 安装调整好检查无误后进 行 实 验 ，以 提 水 高 度 为 横 轴 ，时间为纵轴作其关系 图 如 图 所 示 。 从 图 中 可 以 看 出 ，辐 照 度 大 于 时 长 在 左 右 ，辐 照 度 大 于 时 长 在 左 右 ，大 于 时 长 接 近 ，辐 照 度 大 于 或 等于 的 时 间 在 以 上 。 本 文 选 择 的 水 泵 为 与 直 流 水 泵 ，流量最大值分别为 和 ，考虑 到 水泵功率及流量 较 小 ，且 须 让 水 泵 每 天 运 行 能 达 ，系 统 中 光 伏 组 件 选 择 为 系 统 实 验 设 备 主 要 有 太 阳 电 池 组 件 块 ，直 流 水 泵 两 台 ，辐 射 仪 台 ，万 用 表 两 只 ，电 源 插 板 及 插 头 各 一 个 ，水 桶 两 支 ，水 管 数 米 ，电 源 线数 米 等 。 实 验 前 ，首先计算或查出当 地 太阳电池 组 件 的 最 佳 安 装 倾 斜 角 ，安 装 时 使 太 阳 能 光 伏 组 件 正 对 太 阳 ，倾 斜 角 调 为 当 地 最 佳 倾 角 ，其 装 置 如图 所 示 ，安 放 好 并 使 其 稳 固 ，一 般将水泵放在阴 凉 处 ，防 止 水 泵 过 热 ，影 响 水 泵 抽 水 ，组 件 输 出 端与 水 泵 的 输 入 端 正 确 连 接 。图 提水高度与时间关系曲线图 由 图 可 看 出 ，两 系 统 在抽起一定量水 （）时 ，抽 水 时 间 随 提 水 高 度 的 升 高 而 增 加 ， 与 理 论 相 吻 合 。 系 统 中 ，提 水 高 度 在 范 围 时 ，提 水 高 度 与 抽 水 时 间 呈 线 性 关 系 ，可 用 来 近 似 描 述 ；而 到 时 ，曲 线 要 陡 一 些 ，尤 其 提 水 高 度 接 近 扬 程 时 ，曲 线 几 乎 与 横 坐 标 垂 直 ，在此用用来抽水已无实际 意 义 。 系 统 也 有 类 似 关 系 ，不 同 之 处 在 于 系 统 中 ，提水高度范围 更 广 。 由 此 可 知 ，在 实 际 运 用 中 ，可 根 据 提 水 高 度 与 流 量 选 择 合 适 的 系 统 ，使 其 尽量在线性关 系 状 态 下 工作 。图 光伏组件及直流水泵示意图 第 期王 文 仪 ，等 ： 不同功率微型太阳能直流水泵系统性能对比实验研究 从 图 中 得 到 ，水泵实际最大提水 高 度 与 理论 扬 程 之 间 的 比 值 在 左 右 ，出现的这种现象 的 原 因 ，是 理 论 扬 程 由 测 量 水 泵 出 水 口 承 压 所 得 ， 而 在 实 际 应 用 中 ，水 管 阻 力 、摩 擦 及水管与水泵口 径 不 匹 配 等 都 会 造 成 损 失 。 从 图 中还反映出系统 的 提 水高度在最大 提 水高度 的 左 右 时 较 为 适 用 。对 系 统 在 提 水 高 度 为 ，提 水 量 时 测 试 了 福 照 度 与 流 量 的 对 应 关 系 如 图 所 示 。图 中 显 示 当 光 照 达 到 时 ，此 时 工 作 电 流 为 ，电 压 为 ，输 入 功 率 为， 水 泵 就 能 正 常 抽 水 ，运 行 良 好 。 若 以 正 常 抽 水 为 标 准 ，以 一 月 某 天 的 辐 照 为 参 照 ，粗 略 计 算（所 需 光 伏 组 件 系 统正常工作时的 功 率 ），这套 系统里 配 上的光伏组件为 组 件 就 足 够 组 件 就 足 够 。 实 际 测 得 当 辐 照 度 小 于 时 ，水 泵 不 再 抽 水 ，这 样 的光伏水泵系统在晴朗的 一 天 可 以 工 作 的 时 间 大 于 ，按 照 以 上系统正常工 作 计 算 ，全 天 工 作 时 间 以 计 算 ， 全天系统抽水量可达 两 种 系 统 每 天 的 抽 水量足够农村 一 家 的 用 水量 。结论（）配 置 的 微型太阳能直流水泵系统不使用 跟 踪 器 ，可 随 意 调 整 光 伏 组 件 使 其 输 出 最 大 ，降 低 了 成 本 ，提 高 了 经 济 效 益 ，且 此 系 统 具 有 重 量 轻 、 易 拆 装 、携 带 方 便 、可 就 地安装就地使用的优点 。（）通 过 对 全 天 的 太 阳 辐 照 强 度 分 析 ，可 根 据 需要选择适当 的 光 伏 水 泵系统 ，解 决 阳 光 充 足 、偏 远 无 电 力 地 区 抽 水 问 题 ，扩 大 太 阳 能 水 泵 的 使 用 范 围 。（）系 统 的 提 水 高 度 在 最 大 提 水 高 度 的 左右范围较为 适 用 。参 考 文 献 ： ，（）： ， ，（） ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）：余 世 杰 ，汉 斯 卡 尔 关于太阳能水泵系统的研究 合 肥 工 业 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版 ，（）：图 辐照度和流量关系图 而 当 辐 照 度 小 于 时 ，水 泵 将 不 能 再 抽 水 ，从 实 际 测 量 的 结 果 看 这 样 的 光 伏 水 泵 系 统 在 晴 朗 的 一 天 可 以 工 作 的 时 间 接 近 按 照 以 上 系 统 正 常 工 作 计 算 ，全 天 工 作 时 间 近 似 以 计 算 ，全 天 系 统 抽 水 量 可 达 对 于 水 泵 ，当 光 照 达 到 时 ，此 时 工 作 电 流 为 ，电 压 为 ，输 入 功 率 为，水 泵 运 行 良 好 ，不 随 辐 照 度 的 增 强 而 变 化 。 同 样 以 正 常 抽 水 为 标 准 ，以一月某天的辐 照 为 参 照 ，则 这 套 系 统 里 配 上 的 光 伏 组 件 为 ， ， 云南师范大学学报（自 然 科 学 版）第 卷的 结 合 光 伏 水 泵 系 统合 肥 工 业 大 学 学 报 ：自 然 科 学 版 ，（）： 程 荣 香 ，张 瑞 强 光伏提水技术在农作物灌溉上的 应 用可