太陽能水泵系統(tǒng)包含電池板、電力電子控制器、電機和水泵等設(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、綜合評價等研究方面進行分析總結(jié)，并簡要介紹了提高系統(tǒng)運行效率的手段，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)動電機和水泵運行的系統(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)展對解決偏遠地區(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)化及評價。

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、直流電機與電池板直接耦合的系統(tǒng)上。如Roger 等通過試驗得到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直流電機、并勵直流電機、他勵直流電機連接驅(qū)動恒定負載和風(fēng)機類負載，比較他們的啟動特性和穩(wěn)態(tài)特性，并根據(jù)負載的輸入功率與電池板最大接收功率之比定義負載與電池板的匹配度，隨后又研究了電池板帶6 種不同負載(電阻、蓄電池、電解槽、功率調(diào)節(jié)器、直流電機分別驅(qū)動容積式和離心式水泵負載) 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。之后他們對比研究了系統(tǒng)帶有MPPT(Maximum Power Point Trace) 和不帶MPPT 的永磁、他勵、串勵、并勵直流電機的啟動特性，發(fā)現(xiàn)帶有MPPT 的系統(tǒng)電機啟動與額定電流比、轉(zhuǎn)矩比均比不帶MPPT 的系統(tǒng)高，各類型電機電流放大比例相同，永磁電機轉(zhuǎn)矩放大比例最低、整體式他勵電機最高。他們發(fā)現(xiàn)在啟動階段，電池陣列相當于一個恒流源，當驅(qū)動加速時相當于恒壓源。雖然有刷直流電機使用方便，但通常維護不方便，對于潛水泵系統(tǒng)，更換電刷需要把泵從井中取出并拆開，從而增加運行成本，因此其可靠性較低。

　　為了克服這一缺點，人們開始大量應(yīng)用無刷直流電機，其動態(tài)性能良好，能效高，與電池板匹配度高。但是，無刷直流電機功率通常較小，且價格較貴，因而只應(yīng)用于低功率系統(tǒng)中。對于大功率系統(tǒng)，太陽能水泵系統(tǒng)應(yīng)該尋求電機與陣列的最佳組合來達到高效率、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是較為合適的方案。與一般直流電機相比，交流異步電機更堅固耐用，工況變化范圍更大，工作可靠，且成本低，也不需要維護。同時交流電機為系統(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)功率的進一步增大，其功效可逐步抵消添加逆變器的費用。

　　除了電池陣列及電機- 泵裝置這兩個主要部分，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行在最大功率處; 加入蓄電池或蓄水池等裝置來儲存能量; 在有交直流轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)中加入變頻器以使電機變轉(zhuǎn)速運行。Singer等的研究表明帶有MPPT 的系統(tǒng)電機啟動電流和轉(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載電壓，適當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載沒有明顯的季節(jié)依賴性。但對于要求不高的用水系統(tǒng)，在適當情況下以蓄水方式也能達到接近蓄電系統(tǒng)的效果，且更為經(jīng)濟、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- 泵+ 控制器+電池板。

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

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

　　對于戶用水泵，一般電機功率在2kW 以內(nèi)，使用直流電機的優(yōu)勢較為明顯。一些廠家使用高效三相異步電機，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 個方面:

　　(1) 研發(fā)高效水泵及電機，以提高電機和水泵在大范圍轉(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)對多變的氣候狀況，從而提高系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)和全局效率。同時提高中小型風(fēng)- 光- 熱等能源互補利用綜合技術(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態(tài)變化下系統(tǒng)設(shè)計方法，建立不同地區(qū)的數(shù)據(jù)庫，以逐步取代使用靜態(tài)平均值估計的方法；

　　(3) 隨著電池板價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)加大對系統(tǒng)運行可靠性的評價以提高系統(tǒng)長期運行可靠性和供水的穩(wěn)定。