如何设计太阳能光伏直流水泵？

太阳能光伏直流水泵设计指南

太阳能直流电机泵的典型设计

可以设计的最简单的光伏系统类型是将单个或多个光伏模块直接连接到直流负载，如下图 1 所示。

模块的总容量使得它只能在日照时间供电。没有特别安排，通过充电控制器全天跟踪模块的最大功率点来最大限度地利用模块。

这样的系统是一个不受监管的系统，因为模块的功率输出会因日照时数的变化而变化，并且没有设置备用电池来满足夜间的能源需求手术。这样的系统更适合家庭应用，例如使用直流电机水泵抽水。

如前所述，这种系统可用于抽水，尤其是在灌溉应用中。如果我们晚上需要水，那么我们可以利用电池中储存的能量在夜间抽水。但我们知道，电池只能在白天有阳光的时候充电。

那么，如果我们可以在阳光充足的时候利用可用的太阳能立即抽水，为什么还要给电池充电呢？另一方面，我们知道电池并不便宜，而且还需要像充电控制器这样的电力电子电路，这会增加成本。因此，通过在日照时间立即利用可用的太阳能来抽水，我们可以在这个独立的应用中消除电池和充电控制器所需的成本和空间。

这样一个系统的设计非常简单，因为我们必须将光伏组件的功率和电压额定值与直流泵电机的功率和电压额定值相匹配，这样当组件接收到太阳能时辐射泵将抽水并将其储存在水箱中。这样的系统也可以设计用于市面上不同额定功率的交流电机。

但是交流电机泵需要一个逆变器（DC-AC）电路将光伏模块产生的直流电转化为交流电来运行电机。此外，逆变器的额定功率应与交流电机和光伏组件的额定功率匹配。

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太阳能直流水泵的要求

现在，在我们开始设计抽水系统之前，了解一些与设计这样一个独立系统密切相关的术语非常重要。

每日需水量（m³ /day)：用水量可能每天、每月和季节性变化。每天所需的水量决定了系统的成本和规模。因此，如果每天的用水量变化，则可以采用每周或每月的平均值进行设计计算。但应考虑最大需水量，因为如果系统能够满足高峰用水需求，就不能满足正常需求。
总动态扬程 (TDH)（米）：这是泵送系统设计中最重要的参数。它是水泵必须运行的有效压力，以米为单位。它有两个子参数，第一个是总垂直升力，另一个是总摩擦损失。现在进一步，总垂直升力是三个参数的总和，如下图 3 所示：海拔、静水位和水位下降。

高程是测量点之间的差异，即地面与排水高度之间的差异。
静水位是井中水位与地表水位之间的差值。
Drawdown 是衡量由于抽水而导致水位下降的高度。

摩擦损失（米）：这是克服水泵出口与出水点之间的管道摩擦所需的压力。它被添加到总垂直高度以获得总动态水头 (TDH) 的值，并以米为单位进行测量。造成摩擦损失的因素有多种，例如管道尺寸、配件类型、管道中存在的空气、弯头数量、流量等。摩擦损失的值用于计算。例如，如果排放点在距离井 10 m 范围内，则将总垂直升力的 5% 作为摩擦损失。

光伏供电直流水泵的设计步骤

以上所有参数对于太阳能光伏组件抽水系统的设计非常有用。现在让我们看看这些参数和不同的步骤如何有助于设计这样一个独立的系统。系统设计可分为以下五个步骤；

第一步： 以 (m³ 为单位确定每日需水量 /天）
第二步： 计算抽水所需的总动态水头 (TDH)。
第三步： 计算每天抽水所需的总液压能（瓦时/天）。
第四步： 计算现场可用的太阳辐射。
第 5 步： 计算所需光伏模块的尺寸和数量、电机额定值、效率和损耗。

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设计太阳能直流水泵的示例和计算

为了理解这一点，让我们举一个设计示例，我们需要 50 m³ 每天从 20 m 的深度浇水。标高、静水位、落差分别为10 m、10 m、4 m。

水密度为2000 kg/m³ 重力加速度 (g) 为 9.8 m/s² .太阳能模块的峰值额定功率为 36 WP，因为模块不会在其额定峰值功率容量下运行，因此运行系数为 0.75。泵效率约为 40 %，失配系数为 0.85，因为模块不会在最大 PowerPoint 下运行。

请注意，如果我们将 MPPT 与充电控制器一起使用，则失配因子应取为 1，但在我们的情况下，失配因子为 0.85，因为我们直接连接 PV模块到直流泵电机。

第 1 步： 以 (m³ 为单位确定每日需水量 /天）

每日需水量 =50 m³ /天

第 2 步： 计算抽水所需的总动态水头 (TDH)。

总垂直升力 =高程 + 静水位 + 下降

总垂直升力 =10 m + 10 m + 4 m =24 m

摩擦损失 =总垂直升力的 5 % =24 × 0.05 =1.2 m

总动态水头 (TDH) =总垂直升力 + 摩擦损失

总动态水头 (TDH) =24 m + 1.2 m =25.2 m

第 3 步： 计算每天抽水所需的总水力能量（瓦时/天）。

所需水能 =质量 × g × TDH

所需水能=密度×体积×g×TDH

所需水力 =2000 kg/m³ × 50 m³ /天 × 9.8 m/s² × 25.2 m =6860 Wh/天

第四步： 计算现场可用的太阳辐射。

现场可用的太阳辐射（每天的峰值日照小时数）=6 小时/天（1000 W/m² 等效）

高峰日照时间最常用，因为它们简化了计算。不要与 “平均日照时间” 混淆和“太阳高峰时段” 您将从气象站收集。 “平均日照时数”表示日照小时数，因为“峰值日照时数”是实际接收能量的小时数，单位为 KWh/m² /天。

第 5 步： 计算所需光伏组件的尺寸和数量、电机额定值、效率和损耗。

光伏板总瓦数 =总水力 / 每天峰值日照小时数

光伏板总瓦数 =6860 / 6 =1143.33 W

考虑系统损耗的光伏板总瓦数=光伏板总瓦数/（泵效率×失配系数）

考虑系统损耗的光伏板总瓦数 =1143.33 / (0.40 × 0.85) =3362.73 W

考虑光伏组件运行系数的光伏板总瓦数=考虑系统损耗的光伏板总瓦数/运行系数

考虑光伏组件工作系数的光伏板总瓦数 =3362.73 / 0.75 =4483.64 W

没有。 36 WP 所需的光伏板数量 =考虑光伏组件运行系数的光伏板总瓦数 / 36

没有。 36 WP =4483.64 / 36 =124.54 =(125 圆形图) 所需的光伏板数

直流电机的额定功率 =考虑光伏组件运行系数的光伏板总瓦数 / 746 W（即 1 hp）=6.0102 hp 电机 =（7 hp 整数)

面板的串联和并联排列可以根据模块和直流电机的电压和电流额定值来完成。这样的系统也可以设计为带有 MPPT 电路和交流电机的逆变器，但重要的是在设计系统时应考虑其效率和额定功率。