太阳光伏水泵研究现状及发展趋势分析
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太阳光伏水泵研究现状及发展趋势分析
江苏大学环境与安全工程学院
摘要：能源的紧缺和环境的污染，已经成为当今社会发展有待解决的首要课题。偏远地区的畜牧及饮水问题往往也受到地域性的限制。针对以上种种问题，光伏水泵应运而生。本文对光伏水泵系统的基本原理及构成进行了概述，并针对于光伏水泵研究进展和现状，探讨分析了光伏水泵接下来的研究方向，通过现今世界上光伏水泵的市场需求和运作成本，针对光伏水泵产品的经济效益及社会效益进行分析，验证光伏水泵的优势及可行性，展望了光伏水泵系统的应用前景。
2．刘厚林，袁寿其等，光伏水泵系统及其运用前景，江苏大学流体中心，2002年2期
3．Corrado Clini，Ignazio Musu，Maria Lodovica Gullino，Sustainable Development and Environmental Management:Experiences and Case Studies， 2008年发布
4应用前景
（1）解决无电地区的用水问题。目前,我国仍有17个县,7600多万无电人口,都分散居住在边远落后贫困地区,由于能源短缺,至今连饮水以及灌溉问题都还未彻底解决。无电的海岛、边防哨所等同样需要光伏水泵系统，运用图如图七。
(2) 促进国家西部大开发战略的实施。我国西部地区,由于气候干旱、少雨,年平均降水量约为 145mm,大多为极度干旱和半干旱地区,土地荒漠化、草原退化情况越来越严重。
1．4光伏水泵
光伏水泵系统的最终目的是通过光伏水泵来实现的,即抽水满足人、畜和工农业的需要等。目前,未见针对光伏水泵系统对光伏水泵进行特殊设计的报导。依据经济性、可靠性的原则对光伏水泵进行选择。一般情况下,小流量、高扬程的场合通常选用容积泵;较大流量、扬程较高的场合通常选用潜水电泵;较大流量、较低扬程的场合通常选用自吸泵。【2】
Key words:Photovoltaic pump systemresearch and developmentapplication prospect
1引 言百度文库
太阳能光伏水泵系统由电池组件、线缆、控制单元、电动机、泵和管道、阀门组成，光伏水泵系统的基本原理是利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能，然后通过控制器驱动电机带动光伏水泵运行。光伏水泵系统可广泛用于无电地区的人畜用水、农业灌溉以及边防、海岛哨所等高度分散点的用水。
由于水的缺乏,导致土地以每年2500平方公里的速度沙化、盐碱化。然而西北地区地下水资源 并未充分利用,其原因之一是缺乏电力供应,若靠架设输电线,投资巨大,但效益甚微,得不偿失。而西部地区的太阳辐射强,日照时间长,太阳能资源非常丰富,如我国西部地区年日照总量折算为电能可达到1800千瓦时/平方米因此,只有利用太阳能光伏水泵系统才能开发地下水资源,解决这些贫困地区的饮水和农牧业用水。由于光伏水泵系统无污染,从而有利于建设绿色大西北战略的实施。
中国科技部以及意大利环境与国土部签订了以能源与环境保护为主题的合作项目执行协议。Enitecnologie公司与内蒙古自然能源研究所为本项目的执行伙伴。本项目的目标之一，即为解决内蒙古自治区某些农村地区的能源供应问题提供示范，通过太阳能的应用，满足终端用户改善生活质量和发展经济的要求。畜牧业是该农村地区唯一的经济活动，这意味着持续的草地退化以及土地荒漠化面积还会继续扩大。太阳能光伏水泵系统为发展包括农业在内的其他经济活动创造了条件。本项目的一个关键问题是“后续战略”，即对当地人员进行设备维护发面的培训。本项目的知识传播是直接在项目资金上的支持下开展的，为下一步的潜在推广提供示范。【1】【2】【3】【4】【5】
SPVWP系统已经用于近30年。SPVWP的经济分析可以分为两类:发达国家和发展中国家。SPVWP系统适用于偏远地区的发达国家，地方操作和维护可以用来改进生命周期和减少成本。但在发展中国家, 大多数农村地区的人负担不起SPV系统的成本。
中国在80年代开展了太阳能热动力水泵的研究，试制成平板集热器型低温太阳能热动力水泵，采用隔膜泵抽水，晴好天气，每天可抽水3-7吨，扬程达18米。同时，也开展了中温太阳能水泵的研制。太阳能热动力混合式水泵一台，功率为3kW。在90年代，中国开展了光伏水泵的研究，先后试制成百瓦级和千瓦级光伏水泵，并建立了光伏水泵生产企业，能批量生产百瓦级光伏水泵。目前，中国研制的2.5kW光伏水泵正在新疆运行。西藏无水草场面积巨大，光伏水泵的潜在市场需求数量可观，应用前景广阔，狮泉河、日土、扎囊等地建成6座光伏水泵系统，总装机容量2个多千瓦，除解决草场灌溉外，还解决了本地区的人畜饮水问题，结束了依靠人力背水的历史，极大的解放了劳动力。近几年来，光伏水泵系统的数量在世界范围内迅速增长，特别是非洲、南美、澳洲及亚洲各国，其增长幅度相当大。世界银行和联合国共同推荐光伏水泵系统作为解决边远地区人畜饮水，农田灌溉的首选技术。【2】【4】
3光伏水泵研究进展及现状
80年代以后，联合国开发署、世界银行等国际组织经过论证，确认光伏水泵的先进性、合理性和良好发展前景，从而大大推动了光伏水泵的应用。一些工业发达国家推出了一批光伏水泵产品，其中丹麦的一家公司在世界各地销售了数千台光伏水泵。目前，全世界已有数万台光伏水泵在各地运行。印度计划在现有4000台光伏水泵的基础上，政府给予补贴，再推广安装50000台光伏水泵。
控制器有效地隔离泵马达的光伏阵列系统更安全,并提供最佳的泵电动机电压/电流的条件。当水箱满了，控制器还保护泵电动机运行干燥和保存通过关闭系统,。然而,最脆弱的组件之一也正是SPVWP系统控制器,因为它包含复杂的电子产品,并在经常是恶劣的环境条件下进行各种操作。【1】【2】【5】
1．3电机
由于电机的功率等级、电压等级在很大程度上受到太阳电池阵列的电压等级和功率等级的制约,因此对光伏水泵扬程、流量的要求被反映到电机上时,往往必须在兼顾阵列结构的条件下专门进行设计由于不同用户的不同要求,与光伏水泵相匹配的驱动电机类型有:不同电压等级的传统直流电动机、直流无刷永磁电动机（电路图如图三）、三相异步电动机、永磁同步电动机、磁阻电动机等。目前用的最多的是三相异步电动机和直流无刷电动机,大功率系统大多采用高效三相异步电动机。在进行电机设计时要充分考虑到光伏水泵系统变频运行、负载率早晚变化较大等特点。要力争做到使电机全日、全年的总平均效率最高。
随着科学技术的迅猛发展，太阳能电池的价格不断下降，电池的效率逐步提高，光伏水泵系统更具有经济性。加之常规能源日益匮乏，光伏水泵系统将具有广阔的应用前景。具有社会、经济、生态环境等多方面的重要意义。【2】【4】
参考文献：
1．中华人民共和国能源行业标准，太阳能光伏水泵系统，国家能源局，2013-11-28发布
关键词：光伏水泵系统研究现状应用前景
Present situation and future development trend analysis of solar photovoltaic water pump
liuzhanhong caiqichang
SCHOOLOFTHEENVIRONMENTANDSAFETY,JIANGSUUNIVERCITY
1．2控制器或逆变器
光伏阵列的输出伏安特性曲线具有强烈的非线性,而且和太阳光照强度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件密切相关，其输出随日照变化的是直流电量,而作为光伏阵列负载的光伏水泵,它的驱动负载有时是直流电机,有时是交流电机甚至还有其它新 型电机,它们同样具有非线性性质。为了使光伏阵列和光伏水泵之间能达到和谐、高效、稳定的工作状态,这就需要一个适配器，外观如图三。适配器主要有最大功率点跟踪器、逆变器以及保护装置等构成。逆变器（工作电路图如图五）的工作原理：Inverter是一种直流到交流（DC to AC）的变压器，Inverter 是将Adapter输出的 12V直流电压转变为高频的高压交流电。现在的逆变器一般采用了PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术，从而获得大功率、高效率的交流逆变输出，原理图如图四。
近年来，随着全球“粮食问题”、“能源问题”的严重性不断提升，逐步被誉为解决有效耕地提高产量和用清洁能源替代化石能源的最为有效的产业整合产品。成为把光伏产业与农业水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等传统产业综合发展的新兴经济模式。
光伏水泵利用来自太阳的持久能源，日出而作，日落而歇，无需人员看管，不需要柴油、不需要电网，可与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本。它具有无噪音、无环境污染、不消耗常规能源、全自动、高可靠性的独立系统是全球“粮食问题”、“能源问题”综合系统解决方案的新能源、新技术应用产品。长期以来，干旱少雨和缺水问题一直制约着西北山区农业生产和农村经济的发展，近年来，随着雨水集流工程等小水利的建设，西北山区在寻找水源方面发展很快，但由于电力基础设施建设滞后和电费负担过重，电力问题已成为这些地区农业灌溉的一大难题，太阳能光伏水泵的研制成功，使西北山区丰富的太阳能源得到充分利用，为解决这一难题提供了出路。【1】【2】【4】
4．热孜望·坎吉、赵争鸣， 光伏水泵系统在我国西部推广应用的可行性分析， 新疆新能源研究所， 2001年5期
5．Solar photovoltaic water pumping—opportunities and challenges，Kala Meah，Sadrul Ula，Steven Barrett，2006年12月
Abstract:Energy shortage and environmental pollution, has become the primary topic in today's social development to be solved.Remote parts of the animal husbandry and water problems tend to have also been regional restrictions.In view of the above problems, photovoltaic water pump arises at the historic moment.This paper the basic principle and composition of photovoltaic pump system were summarized, and research progress on light volt pump and the status quo, explore photovoltaic water pump for the next research direction was analyzed，By photovoltaic water pumps in the world market demand and operation cost, economic benefit and social benefit of photovoltaic water pump products were analyzed, and the validation of the advantage and feasibility of photovoltaic water pump, prospects the application prospect of photovoltaic pump system.
2光伏水泵系统的基本构成
光伏水泵系统大致由四部分组成：光伏阵列，控制器、电机和水泵。
1．1光伏阵列
光伏阵列由许多太阳电池串并联构成,直接把太阳能转换为直流电。每个光伏阵列都有自己的电流-电压特性。最大功率点(MPP)的光伏阵列取决于几个因素,包括现场太阳辐射、温度、连接负载。目前光伏水泵系统的太阳电池都为硅太阳电池,其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。目前水平的效率约为7%,15%,17%，太阳电池的伏安特性曲线具有强烈的非线性。太阳电池的最大输出功率就是它的额定功率。如图一为太阳能光伏阵列的实际运用图。【2】【5】
江苏大学环境与安全工程学院
摘要：能源的紧缺和环境的污染，已经成为当今社会发展有待解决的首要课题。偏远地区的畜牧及饮水问题往往也受到地域性的限制。针对以上种种问题，光伏水泵应运而生。本文对光伏水泵系统的基本原理及构成进行了概述，并针对于光伏水泵研究进展和现状，探讨分析了光伏水泵接下来的研究方向，通过现今世界上光伏水泵的市场需求和运作成本，针对光伏水泵产品的经济效益及社会效益进行分析，验证光伏水泵的优势及可行性，展望了光伏水泵系统的应用前景。
2．刘厚林，袁寿其等，光伏水泵系统及其运用前景，江苏大学流体中心，2002年2期
3．Corrado Clini，Ignazio Musu，Maria Lodovica Gullino，Sustainable Development and Environmental Management:Experiences and Case Studies， 2008年发布
4应用前景
（1）解决无电地区的用水问题。目前,我国仍有17个县,7600多万无电人口,都分散居住在边远落后贫困地区,由于能源短缺,至今连饮水以及灌溉问题都还未彻底解决。无电的海岛、边防哨所等同样需要光伏水泵系统，运用图如图七。
(2) 促进国家西部大开发战略的实施。我国西部地区,由于气候干旱、少雨,年平均降水量约为 145mm,大多为极度干旱和半干旱地区,土地荒漠化、草原退化情况越来越严重。
1．4光伏水泵
光伏水泵系统的最终目的是通过光伏水泵来实现的,即抽水满足人、畜和工农业的需要等。目前,未见针对光伏水泵系统对光伏水泵进行特殊设计的报导。依据经济性、可靠性的原则对光伏水泵进行选择。一般情况下,小流量、高扬程的场合通常选用容积泵;较大流量、扬程较高的场合通常选用潜水电泵;较大流量、较低扬程的场合通常选用自吸泵。【2】
Key words:Photovoltaic pump systemresearch and developmentapplication prospect
1引 言百度文库
太阳能光伏水泵系统由电池组件、线缆、控制单元、电动机、泵和管道、阀门组成，光伏水泵系统的基本原理是利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能，然后通过控制器驱动电机带动光伏水泵运行。光伏水泵系统可广泛用于无电地区的人畜用水、农业灌溉以及边防、海岛哨所等高度分散点的用水。
由于水的缺乏,导致土地以每年2500平方公里的速度沙化、盐碱化。然而西北地区地下水资源 并未充分利用,其原因之一是缺乏电力供应,若靠架设输电线,投资巨大,但效益甚微,得不偿失。而西部地区的太阳辐射强,日照时间长,太阳能资源非常丰富,如我国西部地区年日照总量折算为电能可达到1800千瓦时/平方米因此,只有利用太阳能光伏水泵系统才能开发地下水资源,解决这些贫困地区的饮水和农牧业用水。由于光伏水泵系统无污染,从而有利于建设绿色大西北战略的实施。
中国科技部以及意大利环境与国土部签订了以能源与环境保护为主题的合作项目执行协议。Enitecnologie公司与内蒙古自然能源研究所为本项目的执行伙伴。本项目的目标之一，即为解决内蒙古自治区某些农村地区的能源供应问题提供示范，通过太阳能的应用，满足终端用户改善生活质量和发展经济的要求。畜牧业是该农村地区唯一的经济活动，这意味着持续的草地退化以及土地荒漠化面积还会继续扩大。太阳能光伏水泵系统为发展包括农业在内的其他经济活动创造了条件。本项目的一个关键问题是“后续战略”，即对当地人员进行设备维护发面的培训。本项目的知识传播是直接在项目资金上的支持下开展的，为下一步的潜在推广提供示范。【1】【2】【3】【4】【5】
SPVWP系统已经用于近30年。SPVWP的经济分析可以分为两类:发达国家和发展中国家。SPVWP系统适用于偏远地区的发达国家，地方操作和维护可以用来改进生命周期和减少成本。但在发展中国家, 大多数农村地区的人负担不起SPV系统的成本。
中国在80年代开展了太阳能热动力水泵的研究，试制成平板集热器型低温太阳能热动力水泵，采用隔膜泵抽水，晴好天气，每天可抽水3-7吨，扬程达18米。同时，也开展了中温太阳能水泵的研制。太阳能热动力混合式水泵一台，功率为3kW。在90年代，中国开展了光伏水泵的研究，先后试制成百瓦级和千瓦级光伏水泵，并建立了光伏水泵生产企业，能批量生产百瓦级光伏水泵。目前，中国研制的2.5kW光伏水泵正在新疆运行。西藏无水草场面积巨大，光伏水泵的潜在市场需求数量可观，应用前景广阔，狮泉河、日土、扎囊等地建成6座光伏水泵系统，总装机容量2个多千瓦，除解决草场灌溉外，还解决了本地区的人畜饮水问题，结束了依靠人力背水的历史，极大的解放了劳动力。近几年来，光伏水泵系统的数量在世界范围内迅速增长，特别是非洲、南美、澳洲及亚洲各国，其增长幅度相当大。世界银行和联合国共同推荐光伏水泵系统作为解决边远地区人畜饮水，农田灌溉的首选技术。【2】【4】
3光伏水泵研究进展及现状
80年代以后，联合国开发署、世界银行等国际组织经过论证，确认光伏水泵的先进性、合理性和良好发展前景，从而大大推动了光伏水泵的应用。一些工业发达国家推出了一批光伏水泵产品，其中丹麦的一家公司在世界各地销售了数千台光伏水泵。目前，全世界已有数万台光伏水泵在各地运行。印度计划在现有4000台光伏水泵的基础上，政府给予补贴，再推广安装50000台光伏水泵。
控制器有效地隔离泵马达的光伏阵列系统更安全,并提供最佳的泵电动机电压/电流的条件。当水箱满了，控制器还保护泵电动机运行干燥和保存通过关闭系统,。然而,最脆弱的组件之一也正是SPVWP系统控制器,因为它包含复杂的电子产品,并在经常是恶劣的环境条件下进行各种操作。【1】【2】【5】
1．3电机
由于电机的功率等级、电压等级在很大程度上受到太阳电池阵列的电压等级和功率等级的制约,因此对光伏水泵扬程、流量的要求被反映到电机上时,往往必须在兼顾阵列结构的条件下专门进行设计由于不同用户的不同要求,与光伏水泵相匹配的驱动电机类型有:不同电压等级的传统直流电动机、直流无刷永磁电动机（电路图如图三）、三相异步电动机、永磁同步电动机、磁阻电动机等。目前用的最多的是三相异步电动机和直流无刷电动机,大功率系统大多采用高效三相异步电动机。在进行电机设计时要充分考虑到光伏水泵系统变频运行、负载率早晚变化较大等特点。要力争做到使电机全日、全年的总平均效率最高。
随着科学技术的迅猛发展，太阳能电池的价格不断下降，电池的效率逐步提高，光伏水泵系统更具有经济性。加之常规能源日益匮乏，光伏水泵系统将具有广阔的应用前景。具有社会、经济、生态环境等多方面的重要意义。【2】【4】
参考文献：
1．中华人民共和国能源行业标准，太阳能光伏水泵系统，国家能源局，2013-11-28发布
关键词：光伏水泵系统研究现状应用前景
Present situation and future development trend analysis of solar photovoltaic water pump
liuzhanhong caiqichang
SCHOOLOFTHEENVIRONMENTANDSAFETY,JIANGSUUNIVERCITY
1．2控制器或逆变器
光伏阵列的输出伏安特性曲线具有强烈的非线性,而且和太阳光照强度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件密切相关，其输出随日照变化的是直流电量,而作为光伏阵列负载的光伏水泵,它的驱动负载有时是直流电机,有时是交流电机甚至还有其它新 型电机,它们同样具有非线性性质。为了使光伏阵列和光伏水泵之间能达到和谐、高效、稳定的工作状态,这就需要一个适配器，外观如图三。适配器主要有最大功率点跟踪器、逆变器以及保护装置等构成。逆变器（工作电路图如图五）的工作原理：Inverter是一种直流到交流（DC to AC）的变压器，Inverter 是将Adapter输出的 12V直流电压转变为高频的高压交流电。现在的逆变器一般采用了PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术，从而获得大功率、高效率的交流逆变输出，原理图如图四。
近年来，随着全球“粮食问题”、“能源问题”的严重性不断提升，逐步被誉为解决有效耕地提高产量和用清洁能源替代化石能源的最为有效的产业整合产品。成为把光伏产业与农业水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等传统产业综合发展的新兴经济模式。
光伏水泵利用来自太阳的持久能源，日出而作，日落而歇，无需人员看管，不需要柴油、不需要电网，可与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本。它具有无噪音、无环境污染、不消耗常规能源、全自动、高可靠性的独立系统是全球“粮食问题”、“能源问题”综合系统解决方案的新能源、新技术应用产品。长期以来，干旱少雨和缺水问题一直制约着西北山区农业生产和农村经济的发展，近年来，随着雨水集流工程等小水利的建设，西北山区在寻找水源方面发展很快，但由于电力基础设施建设滞后和电费负担过重，电力问题已成为这些地区农业灌溉的一大难题，太阳能光伏水泵的研制成功，使西北山区丰富的太阳能源得到充分利用，为解决这一难题提供了出路。【1】【2】【4】
4．热孜望·坎吉、赵争鸣， 光伏水泵系统在我国西部推广应用的可行性分析， 新疆新能源研究所， 2001年5期
5．Solar photovoltaic water pumping—opportunities and challenges，Kala Meah，Sadrul Ula，Steven Barrett，2006年12月
Abstract:Energy shortage and environmental pollution, has become the primary topic in today's social development to be solved.Remote parts of the animal husbandry and water problems tend to have also been regional restrictions.In view of the above problems, photovoltaic water pump arises at the historic moment.This paper the basic principle and composition of photovoltaic pump system were summarized, and research progress on light volt pump and the status quo, explore photovoltaic water pump for the next research direction was analyzed，By photovoltaic water pumps in the world market demand and operation cost, economic benefit and social benefit of photovoltaic water pump products were analyzed, and the validation of the advantage and feasibility of photovoltaic water pump, prospects the application prospect of photovoltaic pump system.
2光伏水泵系统的基本构成
光伏水泵系统大致由四部分组成：光伏阵列，控制器、电机和水泵。
1．1光伏阵列
光伏阵列由许多太阳电池串并联构成,直接把太阳能转换为直流电。每个光伏阵列都有自己的电流-电压特性。最大功率点(MPP)的光伏阵列取决于几个因素,包括现场太阳辐射、温度、连接负载。目前光伏水泵系统的太阳电池都为硅太阳电池,其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。目前水平的效率约为7%,15%,17%，太阳电池的伏安特性曲线具有强烈的非线性。太阳电池的最大输出功率就是它的额定功率。如图一为太阳能光伏阵列的实际运用图。【2】【5】