太陽能水泵系統(tǒng)包含電池板、電力電子控制器、電機(jī)和水泵等設(shè)備，是多學(xué)科綜合應(yīng)用的一門技術(shù)，它是發(fā)展新能源利用和節(jié)能減排的重要手段和成果。本文回顧了太陽能水泵系統(tǒng)配置的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，對(duì)太陽能水泵系統(tǒng)性能預(yù)測方法、系統(tǒng)匹配、控制策略、綜合評(píng)價(jià)等研究方面進(jìn)行分析總結(jié)，并簡要介紹了提高系統(tǒng)運(yùn)行效率的手段，最后展望了系統(tǒng)研究的發(fā)展方向。

1、引言

　　太陽能水泵系統(tǒng)是由太陽能電池板驅(qū)動(dòng)電機(jī)和水泵運(yùn)行的系統(tǒng)。自1978 年安裝第一批太陽能水泵系統(tǒng)以來，太陽能水泵系統(tǒng)不斷改進(jìn)和完善，近些年已大量應(yīng)用在農(nóng)村灌溉、飲水及城市景觀中。太陽能水泵系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展對(duì)解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用水、緩解傳統(tǒng)能源依賴和節(jié)能減排有著重要意義。自產(chǎn)生之日起，國內(nèi)外學(xué)者做了大量有關(guān)太陽能水泵系統(tǒng)的研究，使太陽能水泵系統(tǒng)不斷發(fā)展完善，從內(nèi)容來看這些研究主要可分為系統(tǒng)的配置研究、性能預(yù)測、系統(tǒng)優(yōu)化及評(píng)價(jià)。

2、太陽能水泵系統(tǒng)配置

　　由于太陽能電池板輸出電能為直流形式，因而采用直流電機(jī)與電池板陣列直接耦合成為最直接最簡單的系統(tǒng)，因此早期的應(yīng)用和研究集中在水泵、直流電機(jī)與電池板直接耦合的系統(tǒng)上。如Roger 等通過試驗(yàn)得到0. 5kW 的電池板與泵直接耦合的系統(tǒng)的性能。Appelbaum 等把電池板分別與串勵(lì)直流電機(jī)、并勵(lì)直流電機(jī)、他勵(lì)直流電機(jī)連接驅(qū)動(dòng)恒定負(fù)載和風(fēng)機(jī)類負(fù)載，比較他們的啟動(dòng)特性和穩(wěn)態(tài)特性，并根據(jù)負(fù)載的輸入功率與電池板最大接收功率之比定義負(fù)載與電池板的匹配度，隨后又研究了電池板帶6 種不同負(fù)載(電阻、蓄電池、電解槽、功率調(diào)節(jié)器、直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)容積式和離心式水泵負(fù)載) 的匹配情況，結(jié)果顯示在直接耦合的系統(tǒng)中蓄電池和離心泵與電池板匹配良好，而容積式泵與電池板匹配較差。之后他們對(duì)比研究了系統(tǒng)帶有MPPT(Maximum Power Point Trace) 和不帶MPPT 的永磁、他勵(lì)、串勵(lì)、并勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)帶有MPPT 的系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)與額定電流比、轉(zhuǎn)矩比均比不帶MPPT 的系統(tǒng)高，各類型電機(jī)電流放大比例相同，永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩放大比例最低、整體式他勵(lì)電機(jī)最高。他們發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)階段，電池陣列相當(dāng)于一個(gè)恒流源，當(dāng)驅(qū)動(dòng)加速時(shí)相當(dāng)于恒壓源。雖然有刷直流電機(jī)使用方便，但通常維護(hù)不方便，對(duì)于潛水泵系統(tǒng)，更換電刷需要把泵從井中取出并拆開，從而增加運(yùn)行成本，因此其可靠性較低。

　　為了克服這一缺點(diǎn)，人們開始大量應(yīng)用無刷直流電機(jī)，其動(dòng)態(tài)性能良好，能效高，與電池板匹配度高。但是，無刷直流電機(jī)功率通常較小，且價(jià)格較貴，因而只應(yīng)用于低功率系統(tǒng)中。對(duì)于大功率系統(tǒng)，太陽能水泵系統(tǒng)應(yīng)該尋求電機(jī)與陣列的最佳組合來達(dá)到高效率、低成本、高可靠性。在大功率系統(tǒng)中使用逆變器和交流異步電機(jī)是較為合適的方案。與一般直流電機(jī)相比，交流異步電機(jī)更堅(jiān)固耐用，工況變化范圍更大，工作可靠，且成本低，也不需要維護(hù)。同時(shí)交流電機(jī)為系統(tǒng)效率的提升提供更大空間和多樣的控制策略。隨著系統(tǒng)功率的進(jìn)一步增大，其功效可逐步抵消添加逆變器的費(fèi)用。

　　除了電池陣列及電機(jī)- 泵裝置這兩個(gè)主要部分，為了最大限度利用光照，在系統(tǒng)中加入功率跟蹤器來使電池板運(yùn)行在最大功率處; 加入蓄電池或蓄水池等裝置來儲(chǔ)存能量; 在有交直流轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)中加入變頻器以使電機(jī)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行。Singer等的研究表明帶有MPPT 的系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩放大倍數(shù)明顯增大，且可使全天光照利用率增加。蓄電池可緩沖電池板電力供應(yīng)和提供給負(fù)載穩(wěn)定電源。Khouzam 等指出帶有蓄電池緩沖的系統(tǒng)可以提供幾乎恒定的負(fù)載電壓，適當(dāng)選擇蓄電池工作電壓可以產(chǎn)生接近帶有MPPT 系統(tǒng)的效率; 蓄電池的緩沖作用使負(fù)載沒有明顯的季節(jié)依賴性。但對(duì)于要求不高的用水系統(tǒng)，在適當(dāng)情況下以蓄水方式也能達(dá)到接近蓄電系統(tǒng)的效果，且更為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和方便。因此，大多一般用途的系統(tǒng)都選擇蓄水方式。這些裝置的添加對(duì)于系統(tǒng)效率的提升都有重要作用。

　　目前產(chǎn)品中電池板和水泵之間有以下3 種耦合方式：

　　(1) 直接耦合：直流電機(jī)- 泵+ 控制器+電池板。

　　(2) 直流電機(jī)帶最大功率跟蹤器：直流電機(jī)- 泵+ 控制器( 帶MPPT) + 電池板。

　　(3) 交流電機(jī)帶最大功率跟蹤器和變頻逆變器：交流電機(jī)- 泵+ 控制器( 帶MPPT 和變頻逆變器) + 電池板。

　　對(duì)于戶用水泵，一般電機(jī)功率在2kW 以內(nèi)，使用直流電機(jī)的優(yōu)勢較為明顯。一些廠家使用高效三相異步電機(jī)，其優(yōu)勢在大功率(5kW 以上) 系統(tǒng)中能得到較好體現(xiàn)。

5、展望

　　目前硅太陽能電池板效率在短時(shí)期內(nèi)很難有大的提升，雖然第二代薄膜太陽能電池和第三代有機(jī)質(zhì)太陽能電池具在成本上有明顯優(yōu)勢，但與目前硅太陽能電池板的大規(guī)模生產(chǎn)相比還不具競爭力。未來一段時(shí)間內(nèi)，硅電池板仍將占據(jù)市場大量份額。因此，今后太陽能水泵系統(tǒng)研發(fā)方向應(yīng)該集中在以下3 個(gè)方面:

　　(1) 研發(fā)高效水泵及電機(jī)，以提高電機(jī)和水泵在大范圍轉(zhuǎn)速、流量變化下的高效區(qū)范圍及降低系統(tǒng)揚(yáng)水閾值功率。開發(fā)低成本、高可靠性智能控制器以提高各組件間性能匹配、應(yīng)對(duì)多變的氣候狀況，從而提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)和全局效率。同時(shí)提高中小型風(fēng)- 光- 熱等能源互補(bǔ)利用綜合技術(shù)的開發(fā)及推廣；

　　(2) 氣候、光照、水位、需水等多因素變化下太陽能水泵系統(tǒng)長期性能預(yù)測的通用方法及基于動(dòng)態(tài)變化下系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，建立不同地區(qū)的數(shù)據(jù)庫，以逐步取代使用靜態(tài)平均值估計(jì)的方法；

　　(3) 隨著電池板價(jià)格的降低及中小型太陽能系統(tǒng)的發(fā)展，今后在優(yōu)化電池板功率的基礎(chǔ)上應(yīng)加大對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的評(píng)價(jià)以提高系統(tǒng)長期運(yùn)行可靠性和供水的穩(wěn)定。