太阳能水泵工作原理

系统组成及工作原理

1．1 光伏水泵系统的结构图

由图1可知，系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。经过DC／DC升压，和具有TMPPT功能的变频器后输出三相交流电压驱动交流异步电机和水泵负载，完成向水塔储水功能。其中主要包括4部分：太阳电池阵列；具有TMPPT功能的变频器；水泵负载；储水装置。

1．2 变频器主电路及硬件构成

本系统所采用的主电路及硬件控制框图如图2所示。主电路DC／DC部分采用性能优越的推挽正激式电路进行升压；DC／AC部分采用三相桥式逆变电路。主功率器件采用ASIPM(一体化智能功率模块)PS12036，系统控制核心由16位数字信号控制器dsPIC30F2010构成。外围控制电路包括阵列母线电压检测和水位打干检测电路。系统首先通过初始设置的工作方式和PI参数工作，然后由MPPT子程序实时搜索出的电压值作为内环CVT的给定，通过PI调节得到工作频率值，计算出PWM信号的占空比，实现光伏阵列的真正最大功率跟踪(TMPPT)，并保持异步电机的V／f比为恒值。系统将MPPT和逆变器相结合，利用ASIPM模块自带的故障检测功能进行检测和保护，结构简单，控制方便。

1．2．1 DC／DC升压电路简述

1．2．1．1主电路选择

对于中小功率的光伏水泵来说，光伏阵列电压大都是低压(24v、36v、48V)，对于升压主电路的选择，人们一般选择推挽电路，因为推挽电路变压器原边工作电压就是直流侧输入电压，同时驱动不需隔离，因此比较适合输入电压较低的场合。但是偏磁问题是制约其应用的一大不利因素，功率管的参数差异和变压器的绕制工艺都有可能使推挽电路工作在一种不稳定状态。基于诸多因素的考虑，本系统采用了结构新颖的推挽正激电路，此电路拓扑不仅克服了偏磁问题，而且闭环控制也比较容易(二阶系统)。

1．2.l.2推挽正激电路简单分析

推挽正激电路如图2所示，由功率管S1及S2，电容C8和变压器T组成，变压器T原边绕组N1及N2具有相同的匝数，同名端如图2所示。当S1及S2同时关断的时候，电容C8两端电压下正上负，且等于阵列电压，当S1开通，S1、N2和光伏阵列构成回路，N2上正下负，同时C8、N1和S1构成回路，C8放电，N1下正上负，此时的工作相当于两个正激变换器的并联。同理，当S2开通S1关断时，也相当于两个正激变换器的并联。经过理论分析，推挽正激电路是一个二阶系统，因此闭环控制简单，同时输出滤波电感和电容大大减小。

1.2.2 dsPIC30F2010简单介绍

Microchip公司通过在16位单片机内巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F数字信号控制器(DSC)同时具有单片机(MCU)的控制功能以及数字信号处理器(DSP)的计算能力和数据吞吐能力。因为它具有的DSP功能，同时具有单片机的体积和价格，所以本系统采用此芯片作为控制器。此芯片主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正等。dsPIC30F2010管脚示意如图3所示。

1．2.2．1 主要结构

12KB程序存储器；

512字节SRAM：

1024字节EEPROM；

3个16位定时器；

4个输入捕捉通道；

2个输出比较／标准PWM通道；

6个电机控制PWM通道；

6个10位500kspsSA／D转换器通道。

l 2．2．2 主要特点

A／D采样速度快且多通道可以同时采样；

6个独立／互补／中心对齐／边沿对齐的PWM：

2个可编程的死区；

在噪声环境下5V电源可正常工作；

最低工作电压3V；

A／D采样和PWM同期同步。

2 光伏水泵最大功率点跟踪(MPPT)设计

2．1 常规恒定电压跟踪(CVT)方式的特点与不足

CVT方式可以近似获得太阳电池的最大功率输出，软件上处理比较简单。但实际上日照强度和温度是时刻变化的，尤其是在西部地区，同一天中的不同时段，温度和日照强度变化都相当大，这些都会引起太阳电池阵列最大功率点电压的偏移，其中尤以温度的变化影响最大。在这种情况下，采用CVT方式就不能很好地跟踪最大点。

2．2 TMPPT的原理与实现

为克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point

Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟踪”控制，即保证系统不论在何种日照及温度条件下，始终使太阳电池工作在最大功率点处。由于逆变器采用恒V／f控制，故水泵电机的转速与其输入电压成正比，因此，调节逆变器的输出电压，就等于调节了负载电机的输出功率。故本系统采用TMPPT方式使太阳电池尽可能工作在最大功率点处，为负载提供最大的能量。

由太阳电池阵列的特性曲线(见图4)可知，

在最大功率点处，dP／dv=O，在最大功率点的左侧，当dP／dV>O时，P呈增加趋势，dP／dV<O时，P呈减少趋势；但在最大功率点的右侧，当dP／dv>O时，P呈减少趋势，dP／d

v<O时，P呈增加趋势。据此可在实际运行时根据P-V的变化关系确定最大功率点。

图5为TMPPT型最大功率点跟踪控制框图。系统的输入指令值为0，反馈值为dP／dV，假定Z3状态为+1，则Usp*指令电压增加，经CVT环节调整，系统的输出电压V跟踪Usp*增加，采样输出电流I，经功率运算环节和功率微分环节，获得dP／dV值，如dP／dV>0，则Z1为+1，Z2为+1，Z3为+l，Usp*指令电压继续增加。如dP／dV<O，则Z1为-l，Z2为-1，Z3为-1，Usp*指令电压开始减小。稳定工作时，系统在最大功率点附近摆动，如果摆动幅度越小，则精度越高。在具体工作时，为了防止搜索方向的误判断，软件中设置了搜索限幅值，使系统的工作可靠性进一步提高。由于本系统中采用的ASIPM模块带有电流检测功能，故在硬件设计上可以省去电流检测电路，节约了成本，并进一步优化了外围电路。

3 系统的保护功能设计

1)过流和短路保护功能

由于ASIPM的下臂IGBT母线上串有采样电阻，所以通过检测母线电流可以实现保护功能。当检测电流值超过给定值时，被认为过流或短路，此时下桥臂IGBT门电路被关断，同时输出故障信号，dsPIC检测到此信号时封锁PWM脉冲进一步保护后级电路。

2)欠压保护功能

ASIPM检测下桥臂的控制电源电压，如果电源电压连续低于给定电压1OMs，则下桥臂各相IGBT均被关断，同时输出故障信号，在故障期间，下桥臂三相IGBT的门极均不接受外来信号。

3)过热保护功能 ASIPM内置检测基板温度的热敏电阻，热敏电阻的阻值被直接输出，dsPIC通过检测其阻值可以完成过热保护功能。

以上保护是利用了ASIPM自身带有的功能，无须外加电路，进一步简化了硬件电路设计。系统除了具有上述保护功能外，还具有光伏水泵系统特有的低频、日照低、打干(自动和手动打干)等保护功能。对于泵类负载，当转速低于下限值时，光伏阵列所提供的能量绝大部分都转化为损耗，长期低速运行，会引起发热并影响水泵使用寿命，因此，本系统设计了低频保护，对水泵来说，当液面低于水泵进水口时，水泵处于空载状态，若不采取措施，长时间运行则会损坏润滑轴承，而本系统为户外无人值守工作方式，故系统为了增加检测可靠性，采用了自动打干和手动打干两种识别方式，其中，自动打干是根据系统输出功率和电机工作频率来进行判别；手动打干则是通过水位传感器识别当前水位高低来实现的。由于低频、日照低、打干等功能都是由软件来完成，不须增加硬件电路，故系统结构简单

太阳能水泵系统是近年来快速发展起来的利用太阳能提水的光机电一体化系统。基本工作原理是利用太阳能电池组件构成阵列后，把太阳能直接转变为电能，然后驱动各类电动机带动高效节能水泵从河、湖、深井等水源提水。太阳能水泵系统“日出而作，日落而歇”，全自动操作，没有噪声、可靠性高，已被世界各地，特别是发展中国家广泛应用。光伏水泵系统大致由光伏阵列、控制器、电机和水泵四部分组成。

一、光伏阵列

许多的太阳能电池串、并联在一起构成了光伏阵列，其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。目前被用于光伏水泵系统的太阳能电池多为硅太阳能电池，其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳能电池。太阳能电池的最大额定功率也是它的输出最大功率。

二、控制器

光伏阵列的电源输出和太阳辐照度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件有密切关系，其输出随日照而变化的是直流电量，而作为光伏阵列负载的光伏水泵，直流电机、交流电机甚至其他新型电机都当作它的驱动电机，在这种情况下，要使光伏泵系统工作给它提供比较理想的工况，而且对于任何日照都要发挥光伏阵列输出功率的最大潜力，这就要有一个适配器。适配器的内容主要是最大功率点跟踪器、逆变器以及一些保护设施等。

三、电机和水泵

光伏水泵系统的其它措施都是为了能稳定、可靠地多出水，或者说最后都要落实在电机、水泵的工作上，它们可以构成一个总成件，这个总成件要求有最大限度的可靠性及高效率。对于光伏水泵而言，电机和水泵的搭配并不像常见的电机和水泵搭配那样简单，由于电机的功率等级、电压等级在很大程度上受到太阳能电池阵列的电压等级和功率等级的制约，因此对水泵扬程、流量的要求被反映到电机上时，一般必须在兼顾阵列结构的条件下专门进行设计。出于对不同用户的不同要求，光伏水泵用驱动电机有：不同电压等级的传统直流电动机、直流无刷永磁电动机、三相异步电动机、永磁同步电动机、磁阻电动机等。从目前的使用情况看，以三相异步电动机及直流无刷电动机为最多，大功率系统都以采用高效三相异步电动机为主。光伏水泵系统中水泵的选择与设计也有一些特点。根据用户对流量、扬程的不同要求，按经济性、可靠性往往可按以下原则选择泵型：选用容积式水泵的用户一般要求的是扬程高、小流量；要求流量较大且扬程也较高的用户，宜选用潜水式电泵；需要流量较大但扬程却较低的用户，一般宜采用自吸式水泵。

太阳能水泵与柴油机水泵相比，太阳能水泵寿命能用20多年，具有运行费用低和少维护或免维护等优点。太阳能水泵系统的推广应用不仅对解决土地沙化、植被减少等生态环境的恶化有较好的改善作用，并且可对牧区、边防、哨所、海岛站点、自然保护区等高度分散地区人员的用水提供有效的保证。

你好

一般使用到泵站的产品为别墅分体太阳能，泵站是水泵、压力表、电磁阀等的一个集成叫法，它的工作要看控制仪表的设置，主要的功能就是集热和供热的循环，都是依靠温差控制，即当温差达到设定温度时，循环泵启动，进行集热循环或者供热循环。

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太阳能抽水系统也称为太阳能水泵系统，系统主要由太阳能电池陈列，直流汇流箱，太阳能水泵专用逆变&控制器、三相交流潜水泵组成。

系统工作原理及步骤：

（1） 太阳电池阵列由多块太阳电池组件串并联而成，吸收日照辐射能量，将其转化为电能，为整个系统提供动力电源.

（2） 汇流箱将DC汇集成多路，通过空开来控制直流电源输入到太阳能水泵专用逆变&控制器，汇流箱同时安装有防雷模块来防止雷击。

（3） 太阳能水泵专用逆变&控制器将太阳电池阵列发出的直流电转换为交流电，驱动水泵，对水泵的运行实施控制和调节。根据日照强度的变化实时地调节输出频率，实现最大功率点跟踪，最大限度地利用太阳能。

系统应用：海水淡化、沙漠治理、生活用水、农业灌溉、林业浇灌、草原畜牧、景区喷泉、水处理工程等。

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强制循环水泵的控制采用温差循环模式，当集热器温度和水箱温度只差高于某设定值时就自动启动

循环泵

，将集热器的热量传给水箱。当温度差小于某个设定值时，就停止循环，不是24小时运行。

太阳能热泵大概工作原理：

用太阳能集热器收集来自太阳光的辐射热量，然后在蒸发器中把热量与经过压缩之后的高温高压热泵工质进行热交换，经过节流过程，热泵工质进入冷凝器放出热量，用于制热，之后低温低压工质再进入压缩机，如此反复循环。

太阳能热水器工作原理图1.冷水通过管道进入太阳能热水器内，经过集热板，集热板能收集太阳能，将太阳能转化为热能，然后把冷水加热。由于冷水的比重比热水的比重大，热水会自动往上升，然后形成一个循环动力，水就在集热板那逐渐升温，达到一定温度后就能进入储热水箱，需要热水的时候就能供应热水。加热图2.其实太阳能热水器的原理主要包括了以下2个原理：（1）水循环原理，就是水会自动流动，这是利用冷水比热水密度大，冷水下沉，热水上升，形成自然对流循环、使水箱中的水逐渐变热，达到设定的水温为止。当太阳强度不足以满足循环需要的时候，可以在水循环闭路加一水泵，实现强制循环。（2）集热器吸热原理：太阳能热水器的集热器表面，有一特殊的涂层，此涂层对太阳能可见光范围具有很大的吸收率，吸收为热以后，集热器的散热热辐射波长在长波范围，该涂层对长波的发射率很低，这样就有效地保留了太阳能的热量。再通过这种热量将冷水逐渐加热为热水。太阳能集热管下面详细说说这种集热器上的集热管，集热管实际像一个被拉长的热水壶内胆，由一大一小两支玻璃管套合而成，外层为透明，内层为涂有光谱选择性的吸收涂层，内外管之间抽成直空，它是太阳能热水器的核心，用于最大限度地吸收太阳光辐射后的热能；由于真空玻璃管是圆形的，具有对太阳广源自然跟踪的特点，再加上反光板的反射原理，使玻璃管四面受光面面俱到，集热效果时间更长，水温更高，即使高寒地区一年四季也可正常运行。

太阳能辅助热泵通常是指作为太阳能热利用系统辅助装置的热泵系统，包括独立辅助热泵和以太阳辐射热能作为蒸发器热源的热泵。这类热泵多数以供热为主，涉及建筑采暖、生活热水供应以及工业用热等应用领域，对太阳能集热温度要求不高，而且具有灵活多样的系统形式、合理的经济技术性能和良好的商业实用化前景。