光伏提水技术研究与应用

creasing attention as it satisfies the strategic needs of developing new energy. The paper reviews the history of
PV water lifting technology development, makes an introduction on typical PV water lifting devices used home
上述两种光伏水泵通过实际应 用表明其效果较好，但限于当时的太 阳能光伏电池板价格昂贵，如果一味 追求设备装机功率更大、 扬程更高、 流量更大，就需要更多更大的光伏电 池板， 那么整个系统的性价比会降 低，因而得不偿失，光伏提水的大型 化机组发展受到限制。 时至今日，经 过几十年的努力和积淀，特别是随着 国家能源政策的颁布实施和近年太 阳能电池板价格的不断下降，光伏提 水技术又有了新发展，出现了许多新 型设备。 这些新设备不仅功率更大、 效率更高，而且在节能、环保、智能化 和系列化等方面较早期同类设备性 能有较大提高。 主要表现在：一是光 伏电池广泛采用了 MPPT 最大功率跟 踪器技术，并运用各种更加先进的算
因其符合新能源战略发展的需要而备受关注和重视。 基于研究和推广应用需要，在回顾了光伏提水技术发展历
程的基础上，介绍了近年国内出现的几种有代表性的光伏提水装置，对它们的类型和系统结构进行了分析，探
讨了光伏提水技术在我国特别是西部干旱缺水地区推广应用的前景和价值。
关键词：光伏提水；太阳能；研究与应用
Research and application of photovoltaic water-lifting technology//Deng Bo, Chen Jian, Luo Hongying, Zeng
1.关于 DHB 系列光伏水泵
共分漂浮泵和潜水泵两大类。 DHB 潜 水 泵 的 功 率 为 420 W，当 最大 扬程为 30 m 时流量达 1.3 m3/h。 其主
收 稿 日 期 ：2011-04-11 作者简介：邓波，硕士研究生，主要从事泵站优化方面的研究。
水 20
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二、我国光伏提水技术研 究现状
我国光伏提水技术的研发工作起 步于 20 世纪 80 年代初， 其代表产品 有 深 圳 大 明生 产 的 DHB 和 安 徽 日 泉 生产的 NSP 等系列光伏水泵。 DHB 和 NSP 系列光伏水泵也是国内最早的一 代光伏水泵， 其性能基本上能代表我 国 20 世纪 80—90 年代的技术水平。
光伏水泵主要用于农村饮水工程，为 避免水质污染采用水润滑轴承。
DHB 系列光伏水泵在 20 世纪 90 年代初研制成功并在青海安装试运 行，效果良好，其意义在于肯定了这种 新设备的使用价值。 这种光伏水泵早 期的设计思路和结构已具备了现代光 伏水泵的雏形， 后来出现的许多光伏 水泵产品大多是以这种产品样式作为 模型，并不断加以改进。 可以说，DHB 型光伏水泵的出现， 为后来我国同类 设备的研发奠定了一个好的基础。
Zhenhua, Shang Yongjun
Abstract: PV water-lifting is one of the new technologies that involve varied subjects and disciplines such as
photovoltaic solar energy collection and transformation, electronics, motors as well as pumps. It has attracted in-
and abroad in recent years, analyzes and summarizes its type and structure ,and discusses the prospect and val-
ue of applying PV water lifting technology in China ,especially in west arid regions.
⑤水泵。 采用了专门针对光伏提 水而设计的微型多级离心泵，它具有 流量小、 功率小和体积小等特点，同 时还有条件较宽的工作范围，以适应 不同日照条件下系统整体效率较高 的要求。 该机组结构紧凑，密封性良 好，能和电动机及其他部件高度集成 后潜入直径 100 mm 左右的井管中长 期运行。 可根据用户需要，适当增减 水泵叶轮的级数，以满足不同扬程和 流量的要求。 水泵效率为 50%~60%。
2.关于 NSP 系列光伏水泵
与 DHB 属 于 同 一 代 产 品 ， 其 设 计思路和结构基本相同。 其系统结构 仍然采用太阳能光伏阵列→逆变器 （具 有 最 大 功 率 点 追 踪 功 能 ）→ 三 相 异步交流电机→多级离心式潜水 泵→出水管路的布置形式。 其系列产 品的参数见表 1。
3.光伏水泵的发展情况
扬 程 从 3 m 到 300 m 不 等 ， 在 充 分 光 照 和地下水补给及时的情况下 ，单 台 水 泵 流 量 在 扬 程 为 100 m 时 能 达 到60 m3/h， 最大扬程时流量可保持在 8 m3/h 左右。 该系列光伏水泵已出口 到印度、孟加拉及尼日尔等国，主要 用于面积稍大的农田灌溉、排水和满 足当地农村饮水工程需求。 其运作以 企业和当地政府农业部门合作为主， 据用户反映使用效果较好。
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CHINA WATER RESOURCES 2011.16
光伏提水技术研究与应用
邓 波 1 , 陈 坚 1，罗红英 1，曾振华 2，商勇军 2
（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，430072，武汉; 2.深圳兴耀华实业有限公司，518000，深圳）
摘 要：光伏提水是涉及太阳能采集与变换、电力电子、电机、水泵等多门学科专业综合配套的一门新兴技术，
③上 海 禧 龙 太 阳 能 科 技 研 制 的 SHP 系 列 光 伏 水 泵 ， 其 形 式 也 为 深 井潜水多级离心泵。 其中，功率在 3 kW 以下的小机组根据扬 程 从 20 m 到 100 m 划 分 成 8 种 型 号，能 够 适 应 多种不同取水深度的情况， 这 8 种 型号的设备均采用直流无刷永磁电 机， 在国内同类型产品中型号最为 齐 全 ；功 率 为 3 kW 和 15 kW 的 两 种 光伏水泵则由功率较大的交流电动 机驱动。
一、光伏提水技术的发展 历程
1975 年 世 界 上 第 一 台 光 伏 水 泵 面世。 但因太阳能电池价格昂贵，且 技术上还不够成熟， 仅作为一种尝 试，在局部地区进行了试用 。 1981 年 世行通过论证认为光伏水泵有良好
的发展前景，从而推动了世界范围内 的相关研发，中国、丹麦、美国、英国、 德国、日本等国都研制并推出了一批 光伏水泵，取得了较好成果。 此后不 久，光伏水泵的发展因经费投入不足 而陷 入 低 谷 ，但 研 究 尚 未 中断 。 1992 年联合国 “世界环境与发展大会”确 立了节能与环保的主题，随之而来的 新能源研发热潮为光伏水泵的发展 注入了新的活力。
④江 门 永 坚 精 机 研 制 的 3 DS 系 列光伏水泵，是国内为数不多的一种 容积式往复泵。 该系列采用了 110 V 直流无刷电机驱动，水泵拥有 3 个活 塞缸。 采用容积式往复泵可以避免采 用叶片泵时泥沙对叶片的磨损，因为 容积泵是通过改变腔内容积大小来 工作的， 没有旋转叶片等过流部件， 所以水泵的磨损会降低很多。
Key words: PV water lifting technology; solar energy; research and application
中 图 分 类 号 ：TV675
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-1123 （2011 ）16-0020-04
光伏 提 水 是 近 30 年 迅 速 发 展 起 来的一门新兴技术，其装置的核心光 伏水泵，是光机电一体化设备，涉及 电气、机械、电力电子、计算机、控制 等多个学科，其工作原理是利用太阳 能电池发出的电力，通过最大功率点 跟踪器驱动直流永磁无刷电动机或 高效异步电动机带动水泵，将水从地 下深处提至地面供农田灌溉、农村饮 水或其他使用。
②甘肃恒隆工业与浙江煤山矿 灯 电 源 公 司 共 同 研 制 的 SJ 系 列 光 伏 水泵，其系列化程度较高，装机功率 在国内同类型产品中最大。 按功率可 以分为大容量交流水泵机组和小容 量直流水泵机组，水泵均采用深井潜 水多级离心式，其中交流水泵机组功 率 涵 盖 范 围 较 大 ， 从 单 台 0.3 kW 到 22 kW 不等， 可选用单相 220 V 或三 相 380 V 交 流 异 步 电 机 驱 动 ， 水 泵
③电动机。 限于当时直流无刷电 机技术尚未成熟，所以该装置采用的 是更廉价、技术更成熟、市场保有量 较高的三相交流异步电动机。 其优点 是通用性好，性价比高。 DHB 光伏水 泵在设计中进行了多种方案的计算比 较，最后其电动机的效率达到 73%，略 高于同类机组的国外知名品牌。
④磁性耦合器。 水泵与电机之间 一般采用机械连接， 而磁性耦合器的 使用能减少机械损耗（约 30 W），提高 效率， 而且将传统的适用于机械连接 的动密封变为静密封， 可解决动密封 难以克服的渗漏问题。 该机组采用上 述装置后，性能得到改善。其磁性耦合 器由含钕铁硼等稀土材料的高性能磁 钢 制 成 ，并 作了 防 腐 处 理 。 它 分 成 主 动 耦合器和从动耦合器两部分， 两者之 间隔一套密封环。 电机输出的转矩带 动主动耦合器，从而驱动从动耦合器， 并带动水泵提水。 这种磁性耦合器不 需要油脂润滑，能保护水质不受污染。
国外以德国和美国研制的光伏 水泵较先进，但他们的研究重点在微 功率和中小功率太阳能光伏水泵系 统上，其产品主要用于庭院或公共场 所的小喷泉和功率不大的水循环动 力系统（功率通常在 1.2 kW 以下）。
近年我国政府陆续颁布了一系列 新能源政策， 使该产业得到了蓬勃发
展， 国内光伏产业项目的陆续上马以 及太阳能级别的单晶硅和多晶硅价格 不断下降， 为光伏提水技术的研发提 供了极为有利的条件，近年成果斐然。
要技术特点： ①电源。 采用单晶硅电池方阵供
电，电池费用约占整个光伏提水装置 总价的 3/4。
②逆变器。 将太阳能电池板产生 的直流电转换成交流电输出给三相交 流异步电动机驱动水泵提水。 为减少 逆变过程的能耗，提高转换效率，采用 逆变器使其具有自动跟踪电池随光照 条件而变化的最大功率点。 其装置能 在恶劣的气候条件下工作， 它的逆变 效率略高于同时期国外的知名产品。
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法保障不同光照条件下电池效率达 到最高；二是中小型机组中大量使用 了永磁无刷无位置感应器直流电动 机，因为这种电动机的机械性能更优 良，调速范围宽，效率更高，从而使光 伏水泵的整体性能更先进，系列化程 度更高，推广潜力更大。 其中具有代 表性的产品主要有：
①深圳兴耀华实业有限公司研制 的 ZGES 系列光伏水泵， 其特点是所 有型号均使用无刷无位置感应器直流 电机， 控制器部分采用具有独立知识 产权的动态 VI 最大功率控制法，能够 解决传统 MPPT 方法在日照强度快速 变化时跟踪效果差、 运行不稳定甚至 造成水锤危害等问题， 其技术水平在 国内同类型控制器中居领先地位。
型号 额定流量 (m3/d)
额定扬程 (m) 额定功率 (W) 适用井径 （mm）
表 1 NSP 系列泵主要技术参数
NSP—250
NSP—370
NSP—420
12
15
13
10
15
20
250
370
420
≥101.6
NSP—550 14 25 550
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另外，与其他同类型光伏水泵的 系 统 配 置 不 同 ，ZGES 系 列 光 伏 水 泵 还配备了蓄电池， 其控制器内含智能 蓄电池充电算法， 在保证水泵正常运 行的条件下， 可将富余太阳能储存在 电池中，最大程度地利用太阳能。 在蓄 电池的选择方面， 由于能够与太阳能 电池配套使用的蓄电池很多， 而目前 国内广泛使用的有铅酸免维护蓄电 池， 因其固有的免维护以及其对于环 境污染少等特点，很适合于无人值守工 作站等对于可靠性要求较高的地方。