太阳能水泵.docx
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太阳能水泵.docx
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太阳能水泵
课程设计说明书
题目:
太阳能光伏发电技术课程设计
二级学院
新能源科学与工程学院
年级专业
2011级光伏发电
(2)班
学号
1103030215
学生姓名
丁朝阳
指导教师
李玲
教师职称
讲师
新余学院课程设计(论文)任务书
二级学院:
新能源科学与工程学院
学号
1103030215
学生姓名
丁朝阳
专业(班级)
光伏发电
设计题目
太阳能光伏水泵产品的设计
设
计
技
术
参
数
1、设计产品前期市场调研报告:
主要包括市场现状、目前市场上该系列产品的设计特点及缺陷、优化改进的措施、市场开发前景等内容(含必要图片)。
2、光伏产品设计书:
内容包括题目名称、正文、心得体会(,设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会)、参考文献。
设计的光伏系统包括容量设计、各种关键设备的选型、及性价比分析(含必要设计图片)。
3、课程设计答辩:
市场调研报告及设计书自我阐述3分钟,回答问题2分钟。
设
计
要
求
1、设计产品前期市场调研报告:
逻辑清晰,层次分明,能够该反映光伏产品市场开发现状,与自身的专业知识紧密联系。
2、光伏产品设计书:
能够用简洁的文字或清晰的图表来表达自己设计思想的能力;树立既考虑技术上的先进性又考虑经济上的合理性正确设计思想,并能够这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力;
3、课程设计答辩:
自我讲述条理清晰,重点突出,表现出良好的语言表达和组织能力;答辩思路清晰,反应敏捷,回答问题正确,知识面教宽。
工
作
量
1.设计产品前期市场调研报告
2.光伏产品设计书
3.课程设计答辩
工
作
计
划
参
考
资
料
指导教师签字
教研室主任签字
说明:
此表一式叁份,学生、指导教师、二级学院各一份。
2013年6月28日
新余学院课程设计评审意见表
指导教师评语:
成绩:
(设计产品前期市场调研报告/满分20+光伏产品设计书/满分50)
指导教师:
2013年6月27日
答辩小组评语:
成绩:
(课程设计答辩成绩/满分30)
评阅人:
2013年6月28日
项目课程总成绩:
(设计产品前期市场调研报告+光伏产品设计书+课程设计答辩成绩)
答辩小组成员签字:
2013年6月28日
新能源科学与工程学院
太阳能光伏发电技术课程设计
学院:
新能源科学与工程学院
专业班级:
11级光伏发电
(2)班
学生姓名:
丁朝阳
学号:
1103030215
指导教师:
李玲
实施时间:
2013.6.17—2013.6.28
项目课程成绩:
(设计产品前期市场调研报告/满分20+光伏产品设计书/满分50)
一、课程设计目的:
课程设计是《太阳能光伏发电技术》课程的一个总结性教学环节,是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。
在整个教学计划中,它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
课程设计不同于平时的作业,在设计中需要学生自己做出决策,即自己确定方案,选择流程,查取资料,进行过程和设备计算,并要对自己的选择做出设计和核算,经过反复的分析比较,择优选定最理想的方案和合理的设计。
所以,课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。
通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养:
1.查阅资料,选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力;
2.树立既考虑技术上的先进性又考虑经济上的合理性正确设计思想,在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力;
3.用简洁的文字或清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
二、课程设计日程安排:
实施时间
实习内容安排
地点
2013年6月17日
讲座:
如何查阅相关文献
课程设计安排、要求等相关事项。
C多媒体
2013年6月18日
分小组布置设计产品前期市场调研
主A教室
2013年6月20日
专业讲座:
如何设计光伏系统
C多媒体
2013年6月21日
上交光伏设计产品市场调研报告
主A教室
2013年6月21日
分小组优化系统设计方案
主A教室
2013年6月27日
上交光伏系统设计书,指导教师评定成绩
主A教室
2013年6月28日
课程设计答辩
主A教室
三|、课程设计任务:
1、设计产品前期市场调研报告
2、光伏产品设计书
3、课程设计答辩
四、课程设计成绩
本课程设计成绩的评定为百分制,其中设计产品前期市场调研报告满分20、光伏产品设计书满分50满分、课程设计答辩30分。
课程设计的总成绩=设计产品前期市场调研报告+光伏产品设计书+课程设计
答辩成绩
目录
引言
第1章太阳能光伏水泵的概述
1.1研究背景及意义
1.2太阳能光伏水泵的组成
1.3本章节所研究的内容
1.4设计产品的参数范围
1.5光伏水泵投资的经济预算与分析
第2章太阳能直流水泵的计算
2.125w直流水泵的相关计算数据
2.2蓄电池的选取及相关设计计算
2.3控制器的选取及相关计算
2.4太阳能电池的选取及相关计算
2.5产品设计成本的预算
第3章太阳能水泵系统的保护功能设计
3.1过流和短路保护
3.2低日照保护
总结
参考文献:
引言
太阳能是一种取之不尽且清洁无污染的新能源,当前针对光伏并网和离网以及应用的产品越来越多地出现了,人们对光伏产品的认知度有了空前的提高,特别是当前光伏电池组件性价比到了非常合适的地步相关发电技术也在应用中日臻,系统建设成本显著的降低;然而,由于受限于相关政策的约束,光伏并网系统从建设到并网许可以及发电上网收费等环节都遇到很多困难,而离网或光伏应用产品则可以避开相关政策限制,光伏水泵系统就是其中伏应用产品,是将太阳能电池阵列产生的直流电转换成机械能再转换为水功率,最后通过管道和储水系统将地下或地表水搬运到人们需要的地方,为缺电、无电地区,提供人畜饮用水以及草原、牧场或其它作物的灌溉用水;或为在人居密集区域的供水设施供水或提供动力,因此具有巨大的推广应用意义和社会价值。
第1章太阳能光伏水泵的概述
1.1研究背景及意义
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。
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。
光伏产品的应用:
图1.1
图1.2
1.2太阳能光伏水泵的组成
一、光伏水泵原理
系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。
经过DC/DC升压,和扬水逆变器后输出三相交流电压驱动交流异步电机和水泵负载,完成向水塔储水功能。
2、光伏水泵组成
“光伏水泵系统”亦称“太阳能光电水泵系统”,其基本原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能,然后驱动各类电动机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。
其可用于家庭供水、水处理系统、滴灌、游泳池水循环、池塘进排水、农业灌溉、喷泉景观等。
光伏水泵系统全自动运行,无需人工值守,系统主要由光伏阵列、控制器、扬水逆变器和水泵等组成。
1、光伏阵列
太阳能光伏阵列(也叫太阳能电池板)是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
其作用是将太阳能转化为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。
太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
2、最大功率点跟踪控制器
最大功率点跟踪控制器也是整个系统的重要部分。
由于光伏阵列输出特性的非线性,其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响,在一定的光照强度和环境下,光伏阵列可以工作在不同的输出电压,但只有在某一输出电压时,光伏电池的输出功率才能达到最大值。
因此在太阳能光伏水泵系统中,要提高系统效率,必须实时检测光伏阵列的输出功率并调整光伏电池的工作点,使之始终工作在最大功率点附近,满足在不同太阳光照条件下,使太阳能尽量多的转化为电能,使水泵能高效和稳定的工作。
3、光伏扬水逆变器
光伏扬水逆变器,英文为SolarPumpingInverter,对太阳能光伏扬水系统(太阳能光伏水泵)的运行实施控制和调节,将太阳能阵列发出的直流电转换为交流电,驱动水泵,并根据日照强度的变化实时地调节输出频率,使输出功率接近太阳电池阵列的最大功率。
当日照很充足时,保证水泵的转速不超过额定转速;当日照不足时,根据设定最低运行频率是否满足,否则自动停止运行。
4、水泵:
常规的为交流水泵和直流水泵,是将电能转换成机械能再到水势能的核心部件;
1.3本章节所研究的内容
根据本学院对学生课程设计的要求,我们将在李玲老师的带领和指导下,设计出25W光伏水泵产品,并通过所学知识对该产品进行改进。
通过改进前后实验数据的变化,分析影响光伏水泵效率的因素。
1.4设计产品的参数范围
1输出电压范围:
12至24V
2额定输出功率:
24W
3工作效率:
80%
4工作温度:
25摄氏度
5功率因数:
0.8左右
1.5太阳能光伏水泵经济投资预算
随着各地政府的重视和推广,光伏水泵在山村供水、牲畜饮水、农田灌溉、草原畜牧、沙漠治理、生活用水及景观喷泉等已被广泛应用。
在一些没有电网覆盖的地区,饮水可以用太阳能水泵来保证。
其不但适用于各种地形,更因其维护简便、无需值守的特点受到青睐。
被人们称为“死亡之海”的塔克拉玛干沙漠地下有丰富的水资源,地上有丰富的太阳能资源。
利用光伏水泵来实施种植、养殖,实现变荒漠为良田,变沙漠为绿洲,复兴昔日的“丝绸之路”。
在经济上能实现持续发展的情况下,“再造楼兰”已不再是梦。
近年来,随着对新能源利用的不断提升,光伏水泵在市政工程、城市广场、宾馆饭店以及住宅社区的景观喷水系统中,得到了越来越多的应用,体现出新能源环保价值观,成为城市和企业的形象名片.
第2章太阳能直流水泵的计算
2.125W直流水泵的相关计算
实验中水泵的主要参数:
额定电压:
12V
额定电流:
1A
最大流量:
3.0L/min
水泵功率Pn=25W额定电压U=12V,设水泵的功率因数为cosφ=0.8效率η=80%电机的电阻0.5aR,,假定水泵按每天工作时间t=8h连续工作时间T=1周计算,1千瓦时(KWh)=3.6兆焦(MJ)对于工作电压为12V的直流系统用Ah数表示一天八小时的耗电量E
则有以下计算:
W=Pt
(1)
Pn=UnInηn
(2)
由1、2可得总功率:
W1=Pt=25w×8h=0.2kwh=7.2×10^5j
额定电流:
In=Pn/Unηn=25W/12V×80%=2.604A
查阅资料可知环境温度为30℃时明敷的BXL_500型截面为2.55mm的铝芯橡皮线的Ial=25A>In=2.604A,满足发条件。
因此导线截面积选择为A=2.5mm
设输入功率为W2则:
W2=W1/cosaηn=72000/0.8×80%=1.125MJ
用E表示水泵的日耗电量则有:
E=8p/12=8×25=16.7ah/d
水泵采用的是无刷直流电动机一台电动机要带动水泵工作,首先接通电源,从静止转动状态到稳定状态,这是电动机的启动过程。
对电动机启动过程的要求:
1、启动间距要足够大,要能够克服摩擦转矩和负载转矩。
2、启动电流不能太大,启动电流太大会对电源和电机造成危害。
2.2蓄电池的选取及相关计算
蓄电池的主要任务是在太阳能辐射量不足时,保证系统负载的正常使用,因此蓄电池的容量要根据实际的需要来进行选择,它的电压要和负载的工作电压相匹配,其容量一定要满足负载一天的工作需求,如果蓄电池选择的过大,则会显得系统笨重并且成本较高;如果蓄电池容量选的过小,则不能满足连续阴雨天或太阳能电池没有电能输出下水泵连续工作一定时间的要求。
(1)太阳能光伏水泵对蓄电池的基本要求有:
①.自放电率低、充电效率高:
②、使用寿命长、少维护和深放电能力强:
③、工作温度范围宽且价格低廉。
配置蓄电池还应注意以下几点:
每只蓄电池应有生产合格证,并且合格证上要标明蓄电池的型号和生产日期,蓄电池的存放时间最多不超过6个月;②同一充放电控制的蓄电池应用同一规格型号和容量的产品.③蓄电池可由多只串联组成,但是并联的蓄电池不能超过4只.
(2)环境温度对蓄电池容量的影响
蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化当蓄电池的温度下降时,蓄电池的容量就会下降,当温度低于0℃时,蓄电池的容量就会急剧的下降。
当温度升高时,蓄电池容量则会略有升高。
蓄电池温度与放电容量关系曲线图如图2-所示:
蓄电池的标称容量一般是在环境温25℃时标定的,随着温度的降低,会有以下的变化:
0℃时的容量大约下降到标称容量的95%~90%,-10℃时大约下降到标称容量的90%~80%-20℃时大约下降到标称容量的80%~70%,所以必须考虑蓄电池的使用环境温度对其容量的影响。
当最低温度过低时,还要对蓄电池采用相应的保温措施。
蓄电池的设计主要包括蓄电池容量和串、并联组合设计。
实用蓄电池容量有如下计算计算公式:
负载工作时间=∑负载功率×负载工作时间/∑负载功率
蓄电池容量=负载日平均用电量(Ah)×连续阴雨天数×放电率修正系数/最大放电深度×低温修正系数蓄电池串联数=系统工作电压/蓄电池标称电压蓄电池并联数=蓄电池总容量/蓄电池标称容量。
2.3蓄电池的串并联
一般使用的蓄电池都有标称电压和标称容量,例如2V、6V、12V和50Ah、200Ah、1000Ah等。
为了达到系统的工作电压,就需要把蓄电池串联起来给系统和负载供电,需要串联的蓄电池个数就是系统的工作电压除以所选蓄电池的标称电压。
需要并联的蓄电池数就是蓄电池组的总容量除以所选定蓄电池单体的标称容量。
蓄电池单体的标称容量可以有多种选择。
例如,假如计算出来的蓄电池容量为600Ah,那么我们可以选择1个600Ah的单体蓄电池,也可以选择2个300Ah的蓄电池并联,还可以选择3个200Ah或者6个100Ah的蓄电池并联。
从理论上讲这些选择都没有问题,但是在实际应用当中,要尽量选择大容量的蓄电池以减少并联的数目,这样做的目的是尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响。
因为并联的组数越多,发生蓄电池不平衡的可能性就越大,所以,我们要尽可能的是并联组数最少。
每个蓄电池都有它的标称电压。
为了达到负载工作的标称电压,我们将蓄电池串联起来给负载供电,需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。
因为我们所设计的光伏水泵系统,而在该系统中,我们所选择使用的水泵额定电压为12V,效率为80%
。
选用了2V/200Ah的单体蓄电池,那么利用蓄电池串、并联数的计算公式计算如下:
串联蓄电池数=负载标称电压/蓄电池标称电压=24V/2V=12个
串联蓄电池数=蓄电池总容量/蓄电池标称电压=162.768÷200=0.813(取整算1)
蓄电池个数为:
12串联×1并联=12个
2.4控制器的选取及相关计算
(1)控制器的选取
控制器是对蓄电池充、放电条件加以规定和控制的。
并依据负载电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出,控制器是整个系统的核心控制部分。
控制器输入回路应耐受1.2—1.3倍的蓄电池的最大充电电流,输出回路应能耐受1.3—1.5倍的系统最大负载电流,因此控制器的选取有如下要求①所选控制器应当与系统设计的理论电压,电流相匹配,如额定电压、额定电流、太阳能电池组件功率、太阳能电池组、太阳能电池与蓄电池之间的电压降落、蓄电池与负载之间电压降落、用海拔高度和所在地的纬度等;②控制器应具有:
防反冲电保护,蓄电池电压过充过放保护,欠压保护,输出过载保护,输出短路保护等功能。
本课题选用的是上海光能科技电子控制器有限公司的太阳能控制器,型号为GNKJ002-2额定电压为12V,最大充电电流为15A。
该控制器有蓄电池欠压保护、蓄电池过充电保护、过电压保护和当蓄电池处于充满电状态时太阳能电池自动放电等功能,
其参数为:
额定工作电压:
12V
额定工作电流:
<15A
欠压保护电压:
10.5V
过充保护电压:
15V
过电压保护电压:
16.5V
2.4光伏阵列的选择
光伏阵列是光伏水泵系统的电源部分,其具有较强的非线性特征,最大输出功率受日照和环境温度等气象条件影响较大,所以选择不同规格的电池板进行组串组建光伏阵列时,需要考虑安装地点的日和年辐照度、光照时间、最佳倾斜角、环境温度、海拔等情况,同时进行计算光伏阵列的Voc(组串后的开路电压)和Vmp(组串后的最大功率点)均在逆变器宣称的范围内。
温度变化时
日照强度变化时
太阳能电池光伏特性曲线
2.5产品设计成本的预算
①光伏水泵提水装置
总投资:
800元,其中 太阳电池组件160元,控制/逆变系统200元;专用光伏水泵180元,附件50元;每年运行维护费150元。
提水量:
在同类太阳能资源地区(覆盖我国北方 70%的区域),扬程 1.5m,每年可提480立方米。
成本:
太阳电池组件按25年折旧,其余设备按8年折旧,每立方米水的投资成本0.03元,维护成本 0.004 元,能源消耗费 0,每立方米水的成本为 0.035 元。
第三章太阳能水泵系统的保护功能设计
由于光伏水泵要长期工作在环境恶劣的条件下,长时间处于无人看守的状态下,容易出现各种故障。
为使太阳能光伏水泵能够长时间可靠稳定的工作,必须要设置多种保护电路以保证系统出现故障时不会出现硬件损伤,并且能够自行恢复和运行。
由于目前大多数系统都是采用单片机进行数字控制,因此可以采用软硬件相结合的方式实现各种保护功能。
这样设计的保护系统具有硬件系统的快速性,同时也具有软件保护系统的灵活性和可靠性[8]。
因此本次的设计同样采用多种保护措施由于本次设计是简单的25W太阳能光伏水泵系统设计,主要进行太阳能的有关计算,因此软件部分并不是主要的研究问题。
3.1过流和短路保护
太阳能光伏水泵系统使用的是直流电机,直流无刷电机在刚启动时,由于转速很低,绕组的反电势E还没有建立起来或者很低,则此时直流无刷电机的相电压平衡方程有;
U相=R⊙i+Ldi/dt+E(3-1)
此时反电势E近似等于0,则上式可变为;
U相=R⊙i+Ldi/dt(3-2)
那么此时流过绕组的相电流i将会非常大,如果电机的转子是永磁体,可能会造成永磁体失磁,造成电机的损坏,因此必须采用一些措施来抑制绕组的过电流。
因此太阳能光伏水泵系统采用过流保护。
3.2低日照保护
在太阳能光伏水泵系统工作中,由于天气阴晴不定等原因会造成日照强度的降低,此时太阳电池阵列的输出功率自然会很小,因而会造成水泵电机的转速下降,水泵的扬程也同样达不到实验的要求,造成光伏水泵系统无法进行正常的工作,所以必须设计低日照保护来维持光伏水泵系统在低日照下同样能正常工作。
从太阳能电池的伏安特性曲线可知,当日照强度很小时,转速就会随之而减小,因此电机的转速变化反映了日照强度的改变,在程序中检测电机的转速,当转速低于事先设定的阈值时,就视为水泵处于低日照状态,电机此时要停止运行,并调用延时子程序,在延时一段时间后,重新启动光伏水泵抽水。
以上保护是利用了系统自身带有的特殊功能,无须另加电路,这样就进一步简化了硬件电路设计。
系统除了具有上述一些保护功能外,还具有光伏水泵系统特有的低频、低日照、打干等保护功能。
对于泵类负载,当转速低于下限值时,光伏阵列所提供的能量绝大部分都转化为损耗,如果长期低速运行,会引起发热并影响水泵使用寿命,因此,本系统设计了低频保护,由于低频、低日照、打干等功能都是由软件来完成,而本次设计只是简单的25W太阳能光伏水泵系统,因此不须增加硬件电路,故系统结构简单。
总结
本课题是以直流水泵作为负载的一个太阳能光伏直流水泵系统,先后对太阳能光伏直流水泵的组成及原理进行介绍,以理论计算为基础的一套太阳能光伏直流水泵系统,然后根据实验通过实验数据数据对水泵系统进行实际分析,利用实验室的实验器材测试了太阳能光伏直流水泵系统的实际工作性能,并与理论计算的数据进行对比,一次来确定理论与实际之间的误差,为以后的研究提供了一些可靠的实验数据和理论依据。
由于此次实验简单,并且技术不是很完善,因此本系统还有许多需要完善的地方;
(1)太阳能电池的转换效率较低,实验器材简陋,通过开发新的太阳能材料,和研究太阳能转换效率的一些问题,希望在转换效率方面能有所提高。
(2)由于蓄电池蓄电池在整个太阳能光伏直流水泵系统中成本占很大比重因此研究没有蓄电池的太阳能光伏直流水泵有很大的意义。
(3)设计在学校进行,所以误差很大,需要更精密的实验器材来进行试验。
太阳能光伏直流水泵目前处于研究阶段,
使用程度还不是很高,但是随着人类社会的不断进步,人们对自己的生存环境要求越来越高,建设绿色家园已成为人们的普遍共识,因此具有巨大社会效益和经济效益的光伏水泵系统光伏技术中最具应用前景和市场前景的应用系统之一,随着科技的发展和光伏技术自身的发展,光伏水泵技术正在不断的进步。
光伏水泵也会更多地进入人们的视野。
参考文献:
王建华,电气工程师手册[M].北京:
机械工业出版社版
刘德雨,《水泵技术问答》[M].水利电力出版社出版
徐品弟,柳厚田铅酸蓄电池——基础理论和工艺原理[M].上海科学文献技术出版社,
王长贵,王斯成太阳能光伏发电实用技术[M].化工工业出版社
惠晶,方兆辉.新能源转换与控制技术[M].北京:
机械工业出版社出版
卢一民,黄国华太阳能光伏水泵系统的研究[J].西安交通大学学报
苏建徽,光伏水泵系统及其控制的研究[M].合肥:
合肥工业大学
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