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1 引言
縱觀全球，人口的快速增長(zhǎng)和工業(yè)化程度的不斷提高帶來(lái)的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題己成為當(dāng)今世界共同面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。積極開(kāi)發(fā)新能源，保護(hù)人類生存環(huán)境也引起了世界銀行，全球環(huán)保機(jī)構(gòu)以及包括各國(guó)政治首腦在內(nèi)的能源主管部門(mén)的極大關(guān)注。開(kāi)發(fā)新能源，使用替代能源和開(kāi)發(fā)利用空間資源已成為在社會(huì)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展推動(dòng)下的必然措施。在這種形式下，太陽(yáng)能光伏技術(shù)也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。
光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的數(shù)量在近年來(lái)迅速增長(zhǎng)，特別是在非洲，南美，澳洲及亞洲各國(guó)的增長(zhǎng)幅度相當(dāng)大。目前，世界銀行和聯(lián)合國(guó)共同推薦光伏揚(yáng)水作為解決邊遠(yuǎn)地區(qū)人畜引水和農(nóng)業(yè)灌溉問(wèn)題的首選技術(shù)。
光伏揚(yáng)水與照明綜合系統(tǒng)將傳統(tǒng)分別獨(dú)立的光伏揚(yáng)水和光伏照明系統(tǒng)合而為一，不僅具有無(wú)噪音、無(wú)污染、全自動(dòng)和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，還使得太陽(yáng)能光伏陣列輸出的電能得以合理的應(yīng)用，有效的節(jié)約了能源。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
光伏揚(yáng)水與照明綜合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示，它一般是由光伏陣列、變頻器、電機(jī)水泵和蓄電池組構(gòu)成的。該系統(tǒng)的控制可以分為三部分，即MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制，DC／AC變頻控制和充放電控制。它主要實(shí)現(xiàn)的功能有：在陽(yáng)光充足的白天為電機(jī)水泵負(fù)載提供最大限度的功率輸出；而在陽(yáng)光欠充足的清晨或傍晚時(shí)以最大限度的功率提供給蓄電池組充電；在沒(méi)有陽(yáng)光的黑夜，具有充足電能的蓄電池組將為照明負(fù)載提供穩(wěn)定持續(xù)的直流電源。
圖2示出了光伏揚(yáng)水與照明綜合系統(tǒng)的電路原理圖。該系統(tǒng)的各個(gè)功能之間的切換是由開(kāi)關(guān)SW1和開(kāi)關(guān)SW2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2．l光伏陣列
目前，光伏市場(chǎng)的太陽(yáng)能電池多為單晶硅太陽(yáng)電池，多晶硅的市場(chǎng)份額正在逐年增長(zhǎng)，非晶硅雖然也占有一席之地，但其市場(chǎng)份額只有百分之十幾。太陽(yáng)電池的輸出伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性，而且和日照強(qiáng)度，環(huán)境溫度，陰雨，霧等許多氣象因素有關(guān)，當(dāng)環(huán)境保持不變時(shí)，其輸出工作區(qū)域包括具有高阻特性的電流源區(qū)域，也包括具有低阻特性的電壓源區(qū)域?？紤]到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)載的變頻器一電機(jī)―水泵及蓄電池―照明的特性，一般只將光伏電池用作電壓源，而具有高阻特性的電流源成為不穩(wěn)定工作區(qū)域。在選擇了系統(tǒng)的電壓等級(jí)及裝機(jī)容量以后，光伏電池即可分為若干組并聯(lián)連接，如圖2所示。
2.2 MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制器
根據(jù)太陽(yáng)電池的工作原理，當(dāng)光照強(qiáng)度，溫度等自然條件改變時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出特性將隨之改變，輸出功率及最大工作點(diǎn)亦相應(yīng)改變。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，自然光的輻射強(qiáng)度及大氣的透光率均處于動(dòng)態(tài)變化中，這就給光伏系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)了困難。另外，光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的負(fù)載電機(jī)可能是直流電機(jī)，也可能是交流電機(jī)或其它新型電機(jī)。正是由于諸多的難以預(yù)知因素影響著光伏陣列的輸出，使得實(shí)際系統(tǒng)中必須有一個(gè)適配器，來(lái)保證電源和負(fù)載之間的和諧，高效，穩(wěn)定的工作狀態(tài)。MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制器即為滿足以上要求的適配器。不僅如此，它還可以使光伏揚(yáng)水與照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)在任何日照強(qiáng)度下都能工作在最優(yōu)狀態(tài)。它的主要功能是：檢測(cè)主回路直流側(cè)電壓及輸出電流，計(jì)算出太陽(yáng)電池陣列的輸出功率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤；實(shí)現(xiàn)特殊的保護(hù)功能如欠電壓，過(guò)負(fù)荷，過(guò)低負(fù)荷，井水打干等。
2.3 DC/AC變頻裝置
近年來(lái)，由于新型的調(diào)頻調(diào)速控制理論及功率電子元件的發(fā)展，使交流調(diào)速的效率及可靠性逐漸趕上了直流電機(jī)。傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)也逐漸被三相異步電動(dòng)機(jī)和直流天刷電動(dòng)機(jī)所淘汰。在實(shí)際中應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)是專門(mén)設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。因而DC/AC變頻裝置成為必不可少的組件。考慮到風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載，該變頻裝置中采用了VVVF的調(diào)制方法。
2.4充放電控制器
當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度減到一定時(shí)候，光伏陣列的最大輸出功率已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)驅(qū)動(dòng)水泵抽水，主控制器將切換SW1狀態(tài)來(lái)啟動(dòng)充電控制電路，對(duì)鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，而當(dāng)光伏陣列的輸出電壓降至零值即天黑時(shí)，主控制器將閉合放電開(kāi)關(guān)SW2，啟動(dòng)照明負(fù)載。該充電控制電路不僅要完成光照欠強(qiáng)條件下的最大功率點(diǎn)搜索及產(chǎn)生相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)充電開(kāi)關(guān)T7，同時(shí)還要完成鉛酸蓄電池組的充電狀態(tài)（SOC）檢測(cè)及與蓄電池組有關(guān)的保護(hù)措施。
3實(shí)例應(yīng)用
1999年10月及11月，兩臺(tái)2.5kw太陽(yáng)能光伏揚(yáng)水與照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)分別安裝在清華大學(xué)校園和新疆石河子市北泉鎮(zhèn)。到目前為止一直運(yùn)行良好。實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)表明在晴天條件下，全年平均日出水量為60m3以上，在日照強(qiáng)烈時(shí)，可達(dá)80m3以上。圖3及圖4示出了1999年10月7日清華大學(xué)示范現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)日照功率分布曲線和水泵流量曲線。在新疆石河子地區(qū)安裝的系統(tǒng)平均每小時(shí)出水10m3以上。不僅解決了當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉的問(wèn)題，而且也產(chǎn)生了良好的示范作用。
4我國(guó)光伏技術(shù)市場(chǎng)與系統(tǒng)的推廣前景
我國(guó)是以煤炭為主要消費(fèi)能源的國(guó)家。較之以油、氣為主的能源消費(fèi)主流，能源結(jié)構(gòu)很不合理。在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期，我國(guó)曾把發(fā)展能源、交通作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展重點(diǎn)，對(duì)能源資源過(guò)度的開(kāi)采和粗放型使用，不惜以環(huán)境污染作為代價(jià)，試圖突破能源和交通對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的制
縱觀全球，人口的快速增長(zhǎng)和工業(yè)化程度的不斷提高帶來(lái)的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題己成為當(dāng)今世界共同面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。積極開(kāi)發(fā)新能源，保護(hù)人類生存環(huán)境也引起了世界銀行，全球環(huán)保機(jī)構(gòu)以及包括各國(guó)政治首腦在內(nèi)的能源主管部門(mén)的極大關(guān)注。開(kāi)發(fā)新能源，使用替代能源和開(kāi)發(fā)利用空間資源已成為在社會(huì)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展推動(dòng)下的必然措施。在這種形式下，太陽(yáng)能光伏技術(shù)也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。
光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的數(shù)量在近年來(lái)迅速增長(zhǎng)，特別是在非洲，南美，澳洲及亞洲各國(guó)的增長(zhǎng)幅度相當(dāng)大。目前，世界銀行和聯(lián)合國(guó)共同推薦光伏揚(yáng)水作為解決邊遠(yuǎn)地區(qū)人畜引水和農(nóng)業(yè)灌溉問(wèn)題的首選技術(shù)。
光伏揚(yáng)水與照明綜合系統(tǒng)將傳統(tǒng)分別獨(dú)立的光伏揚(yáng)水和光伏照明系統(tǒng)合而為一，不僅具有無(wú)噪音、無(wú)污染、全自動(dòng)和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，還使得太陽(yáng)能光伏陣列輸出的電能得以合理的應(yīng)用，有效的節(jié)約了能源。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
光伏揚(yáng)水與照明綜合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示，它一般是由光伏陣列、變頻器、電機(jī)水泵和蓄電池組構(gòu)成的。該系統(tǒng)的控制可以分為三部分，即MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制，DC／AC變頻控制和充放電控制。它主要實(shí)現(xiàn)的功能有：在陽(yáng)光充足的白天為電機(jī)水泵負(fù)載提供最大限度的功率輸出；而在陽(yáng)光欠充足的清晨或傍晚時(shí)以最大限度的功率提供給蓄電池組充電；在沒(méi)有陽(yáng)光的黑夜，具有充足電能的蓄電池組將為照明負(fù)載提供穩(wěn)定持續(xù)的直流電源。
圖2示出了光伏揚(yáng)水與照明綜合系統(tǒng)的電路原理圖。該系統(tǒng)的各個(gè)功能之間的切換是由開(kāi)關(guān)SW1和開(kāi)關(guān)SW2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2．l光伏陣列
目前，光伏市場(chǎng)的太陽(yáng)能電池多為單晶硅太陽(yáng)電池，多晶硅的市場(chǎng)份額正在逐年增長(zhǎng)，非晶硅雖然也占有一席之地，但其市場(chǎng)份額只有百分之十幾。太陽(yáng)電池的輸出伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性，而且和日照強(qiáng)度，環(huán)境溫度，陰雨，霧等許多氣象因素有關(guān)，當(dāng)環(huán)境保持不變時(shí)，其輸出工作區(qū)域包括具有高阻特性的電流源區(qū)域，也包括具有低阻特性的電壓源區(qū)域?？紤]到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)載的變頻器一電機(jī)―水泵及蓄電池―照明的特性，一般只將光伏電池用作電壓源，而具有高阻特性的電流源成為不穩(wěn)定工作區(qū)域。在選擇了系統(tǒng)的電壓等級(jí)及裝機(jī)容量以后，光伏電池即可分為若干組并聯(lián)連接，如圖2所示。
2.2 MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制器
根據(jù)太陽(yáng)電池的工作原理，當(dāng)光照強(qiáng)度，溫度等自然條件改變時(shí)，太陽(yáng)電池的輸出特性將隨之改變，輸出功率及最大工作點(diǎn)亦相應(yīng)改變。在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，自然光的輻射強(qiáng)度及大氣的透光率均處于動(dòng)態(tài)變化中，這就給光伏系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)了困難。另外，光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的負(fù)載電機(jī)可能是直流電機(jī)，也可能是交流電機(jī)或其它新型電機(jī)。正是由于諸多的難以預(yù)知因素影響著光伏陣列的輸出，使得實(shí)際系統(tǒng)中必須有一個(gè)適配器，來(lái)保證電源和負(fù)載之間的和諧，高效，穩(wěn)定的工作狀態(tài)。MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制器即為滿足以上要求的適配器。不僅如此，它還可以使光伏揚(yáng)水與照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)在任何日照強(qiáng)度下都能工作在最優(yōu)狀態(tài)。它的主要功能是：檢測(cè)主回路直流側(cè)電壓及輸出電流，計(jì)算出太陽(yáng)電池陣列的輸出功率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤；實(shí)現(xiàn)特殊的保護(hù)功能如欠電壓，過(guò)負(fù)荷，過(guò)低負(fù)荷，井水打干等。
2.3 DC/AC變頻裝置
近年來(lái)，由于新型的調(diào)頻調(diào)速控制理論及功率電子元件的發(fā)展，使交流調(diào)速的效率及可靠性逐漸趕上了直流電機(jī)。傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)也逐漸被三相異步電動(dòng)機(jī)和直流天刷電動(dòng)機(jī)所淘汰。在實(shí)際中應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)是專門(mén)設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)。因而DC/AC變頻裝置成為必不可少的組件。考慮到風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載，該變頻裝置中采用了VVVF的調(diào)制方法。
2.4充放電控制器
當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度減到一定時(shí)候，光伏陣列的最大輸出功率已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)驅(qū)動(dòng)水泵抽水，主控制器將切換SW1狀態(tài)來(lái)啟動(dòng)充電控制電路，對(duì)鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，而當(dāng)光伏陣列的輸出電壓降至零值即天黑時(shí)，主控制器將閉合放電開(kāi)關(guān)SW2，啟動(dòng)照明負(fù)載。該充電控制電路不僅要完成光照欠強(qiáng)條件下的最大功率點(diǎn)搜索及產(chǎn)生相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)充電開(kāi)關(guān)T7，同時(shí)還要完成鉛酸蓄電池組的充電狀態(tài)（SOC）檢測(cè)及與蓄電池組有關(guān)的保護(hù)措施。
3實(shí)例應(yīng)用
1999年10月及11月，兩臺(tái)2.5kw太陽(yáng)能光伏揚(yáng)水與照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)分別安裝在清華大學(xué)校園和新疆石河子市北泉鎮(zhèn)。到目前為止一直運(yùn)行良好。實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)表明在晴天條件下，全年平均日出水量為60m3以上，在日照強(qiáng)烈時(shí)，可達(dá)80m3以上。圖3及圖4示出了1999年10月7日清華大學(xué)示范現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)日照功率分布曲線和水泵流量曲線。在新疆石河子地區(qū)安裝的系統(tǒng)平均每小時(shí)出水10m3以上。不僅解決了當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉的問(wèn)題，而且也產(chǎn)生了良好的示范作用。
4我國(guó)光伏技術(shù)市場(chǎng)與系統(tǒng)的推廣前景
我國(guó)是以煤炭為主要消費(fèi)能源的國(guó)家。較之以油、氣為主的能源消費(fèi)主流，能源結(jié)構(gòu)很不合理。在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期，我國(guó)曾把發(fā)展能源、交通作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展重點(diǎn)，對(duì)能源資源過(guò)度的開(kāi)采和粗放型使用，不惜以環(huán)境污染作為代價(jià)，試圖突破能源和交通對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的制
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