光伏水泵系统设计与试验研究

论文摘要

光伏水泵具有无污染、无燃料消耗、无人值守等优点,推广光伏水泵能缓解西部干旱地区、偏远无电山区的农业和生活缺水问题,改善人民生活水平。但是,价格昂贵、系统复杂等因素,导致光伏水泵系统难以大规模推广应用。本文以光伏水泵系统为研究对象,有针对性的对系统若干重要方面进行了优化设计及试验验证。为开发小型户用、低成本、高性能、结构简单的光伏水泵系统做出了探索。主要研究内容和结论如下：（1）分析了电池阵列的输出特性,研究了阵列输出与辐射强度、环境温度、光线入射角等因素的关系,并概述了搭建阵列的原则。（2）分析了水泵叶轮入口附近的流动特性。从速度三角形入手,推导了入口附近的冲击损失公式。公式表明入口冲击损失与圆周速度的平方成正比,且与液流角的改变量有关。随着转速降低,损失先增大,然后趋于稳定,最后又减小。并分析了不同辐射下二次流的部位与范围。（3）应用Pro/E软件,对光伏水泵的叶片、叶轮进行了三维建模,利用非结构网格技术对流动区域进行了网格划分。借助Fluent软件,基于N-S方程和标准κ-ε湍流模型,考虑四种不同的辐射条件,采用SIMPLE算法对设计的光伏水泵进行了流场计算。计算结果与前文分析基本吻合。（4）针对扰动观察法的不足,提出了一种改进的双重判据、五段式扰动观察法。详细分析了该算法的决策原理和跟踪过程,利用Multisim 10设计了基于单片机的最大功率跟踪（MPPT）硬件电路。（5）为提高蓄电池组的效率、延长其寿命,提出了智能化充放电控制策略。分析了该策略的原理和电路结构,设计了基于单片机的充放电硬件电路,包括电压检测、数据转换、功率管驱动、指示和保护电路等。（6）试制了一套光伏水泵试验系统,在晴朗无风的条件下进行了相应的试验研究。结果表明：采用的跟踪策略取得了较好的实际效果。充放电控制方法能有效地解决蓄电池组使用过程中出现的过充电、欠充电、互充电等问题,延长了电池的寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光伏水泵的概述及应用前景
• 1.2 光伏水泵系统的发展现状及不足
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第2章 太阳能电池阵列分析
• 2.1 太阳能电池简介
• 2.2 太阳能电池的结构原理
• 2.3 太阳能电池的输出特性
• 2.3.1 太阳电池的辐射强度特性
• 2.3.2 太阳电池的温度特性
• 2.3.3 太阳电池的光线入射角θ特性
• 2.4 阵列的构成和搭建
• 2.5 本章小结
• 第3章 光伏水泵分析及流场的数值模拟
• 3.1 光伏水泵概述
• 3.1.1 PV阵列与机泵系统的工作点
• 3.1.2 光伏水泵与常规水泵的差异
• 3.2 光伏水泵内流动特性分析
• 3.2.1 叶轮入口冲击损失分析
• 3.2.2 进出口附近的二次流分析
• 3.3 光伏水泵流场的数值方法
• 3.3.1 流场基本理论
• 3.3.2 控制方程组的离散与解法
• 3.4 光伏水泵流场的数值计算
• 3.4.1 流道的三维造型与网格划分
• 3.4.2 边界条件与求解控制参数
• 3.4.3 模拟结果分析及性能预测
• 3.5 光伏水泵的设计方法
• 3.6 本章小结
• 第4章 光伏水泵系统的最大功率跟踪控制
• 4.1 最大功率跟踪的意义及其实现方法
• 4.1.1 最大功率跟踪的意义
• 4.1.2 常见的最大功率跟踪算法
• 4.2 双重判据五段式扰动观察法跟踪策略
• 4.3 跟踪电路硬件设计
• 4.3.1 AT89S52单片机介绍
• 4.3.2 电路总体结构
• 4.3.3 DC-DC斩波电路
• 4.3.4 DC-AC逆变电路介绍
• 4.3.5 阵列输出电压、电流检测电路
• 4.3.6 系统保护电路设计
• 4.3.7 防干打水位监测电路
• 4.4 本章小结
• 第5章 光伏水泵系统的蓄电池充放电控制
• 5.1 铅酸蓄电池特性
• 5.2 光伏蓄电池组的非均衡性及其后果
• 5.3 蓄电池充放电的智能化均衡控制原理
• 5.4 基于NI Multisim 10.0均衡控制硬件电路设计
• 5.4.1 电池单体端电压检测电路
• 5.4.2 A/D转换芯片及其外围电路
• 5.4.3 晶闸管驱动电路
• 5.4.4 电路的指示和保护功能
• 5.5 本章小结
• 第6章 光伏水泵系统试验研究
• 6.1 光伏水泵试验系统介绍
• 6.2 试验系统软件结构
• 6.2.1 MPPT控制流程
• 6.2.2 蓄电池充放电控制流程
• 6.3 系统试验过程
• 6.4 试验结果及分析
• 6.4.1 最大功率跟踪效果试验
• 6.4.2 电池充放电控制试验
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 下一步工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文