诺卡宾太阳能光伏水泵在农业方面的应用

摘要:

  无锡诺卡宾光伏水泵系统以其无噪音、无污染、节约能源且不会产生任何废弃物等特点, 在过去的几年中得到相当程度的重视。目前, 光伏发电迅猛发展, 世界上许多国家从能源供应安全和清洁利用的角度出发, 把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展方向。为此, 分析了无锡诺卡宾光伏水泵特点及其在我国农业方面的应用前景, 并提出了光伏水泵系统的发展方向。

关键词: 诺卡宾光伏水泵；光伏水泵；清洁能源

引言

  光伏水泵系统从技术上说是一个比较典型的光能、机、电一体化系统, 它涉及太阳能的采集、变换及电力电子、电机、水机、计算机控制等多个学科的最新技术, 并且对节约能源具有重大意义, 已被许多国家 列为优先发展的高新技术。中东和非洲有不少国家 更是期望利用太阳能水泵、省水微灌以及现代化农业 等新技术, 在地下水资源比较充裕的干旱地区把家园 改造为绿洲。 光伏水泵系统的基本工作原理为: 利用太阳能电 池将太阳能直接转化为电能, 然后通过控制器驱动电 机带动光伏水泵运行。光伏水泵系统可广泛用于无电地区的人畜用水、农业灌溉以及边防、海岛哨所等高度分散点的用水。

   由于无锡诺卡宾光伏水泵具有无噪声、全自动(日出而作, 日落而停)、高可靠、供水量与蒸发量适配性好 (天大旱, 它大干) 等优点, 联合国国际开发署( UNDP) 、世界银行( WB)和亚太经社会 ( ESCAP)等国际组织都先 后充分肯定了它的先进性与合理性。目前, 在这些国际组织的支持下, 无锡诺卡宾机电科技有限公司全世界已有数千台不同规格的光伏水泵在不同地区和国家运行, 特别是在亚非拉及中东等发展中国家, 已为许多贫困地区的人民带来相当可观的经济效益, 加速了这些地区的脱贫步伐。

   1958年, 我国开始研究太阳能电池, 并于1971年首次成功地应用在我国发射的东方红2号卫星上。1973年以后, 在地面上太阳电池开始用于小功率电源, 如航标灯、铁路信号和高山气象站仪器信号等, 功率都较小。随着国家对光伏工业及光伏市场发展的大力支持, 我国太阳能电池不仅用于小功率的电源系统, 更加广泛地应用于各个行业, 解决目前越来越严重的能源危机问题。 我国太阳能电池的生产量远大于使用量。各种形式水泵都是耗能产品, 世界上泵产品所消耗的电能约占总发电量的 20%, 要想节约能源, 大力推广光伏水泵系统是发展的需要。

    1、光伏水泵结构特点

    光伏水泵系统涉及多个现代学科领域, 不能简单地理解为常规的电机 + 水泵,而是涉及光、机、电、 电力电子、计算机及多机群控, 甚至气象与地质等多个学科的交叉。由于太阳能电池是一个非线性直流 电源, 其输出电压和电流不但取决于本身的性能参 数, 与日照强度、工作温度及负载特性等因素有关, 所以必须考虑系统各部件之间的匹配,使系统的效率最高, 运行更稳定、可靠。目前,太阳能光伏水泵控制系统多采用最大功率点跟踪技术, 优化太阳能电池与负载之间的匹配,供水需求改变时功率输出也不变, 不能够根据泵的实际运行工况来输出功率, 造成太阳能电池功率的浪费。因此, 需要开发智能控制模块, 使光伏水泵系统太阳能电池最大输出功率与负载之间达到最佳的匹配, 根据供水的需求来调整输出功率, 同时兼顾泵及电机相关控制, 从而使水泵始终运行在最大效率点MPPT。

   电机节能是一项系统工程, 应该从各方面寻求降低电能消耗的方法。系统输入功率包括配电电源、电动机的控制、电动机本身、电动机与负载的连接以及最终被驱动的负载匹配。例如, 根据国家统计局1989年统计, 全国各类泵类与风机约有 3700多万台, 总配套装机容量为 1.1亿 kW, 每年耗电量占全国用电量 的 1 /3。国际先进水平的风机、水泵本身运行效率一般在 85%以上, 系统运行效率在 80%左右。而我国国产设备的本体设计效率为 75%, 系统运行效率不到 30%, 电能浪费十分严重, 这种状况目前并未改变。 电动机的节能分两个方面: 一是改革异步电动机 的结构、提高其效率和其他性能; 二是发展永磁同步电动机, 可以取得更高的节电效果。 生产永磁直流电机需要永磁材料。根据我国国 情, 高性能的稀土永磁材料已实现产业化, 钕铁硼的产量现已居世界第 1位, 其价格也趋向合理。相关统计资料表明, 中小型永磁同步电动机的效率可提高 5%,节电率 10%, 某些专用永磁同步电机节电达到 15% - 20%, 因此发展永磁同步电动机是新世纪电机 工业技术发展的趋势之一。

     目前, 大多数功率较大的光伏水泵电机都是采用交流变频电机, 由于交流电动机通常采用湿式护套绕组, 具有槽满率低等结构特点, 其效率通常较同等功率的直流永磁电机低得多, 并且体积巨大。直流电动机具有机械特性好、调速范围宽、启动转矩大、运行效率高、体积小和控制简单等特点, 因此开发大功率直流永磁电机在较大幅度上会减少目前相对昂贵的太阳能电池的用量,具有显著的经济效益。由于使用的光伏水泵都是在开发研究光伏电池后 配套设计的电机, 根据使用要求选用各种不同水泵,没有专门针对这个系统开发专用水泵, 因此在很大程 度上都未考虑水泵最佳运行效率, 以及与电机最佳输 出功率相结合的问题。

  2、光伏水泵系统在农业方面的应用前景

  光伏水泵技术的最大优点是不消耗燃料和其他有 机能源, 无污染, 有利于环境保护和节约能源。太阳 能电池使用寿命长, 维修费用低, 这一技术在人民生 活供水和干旱地区灌溉方面具有广阔的应用前景。 我国的西部地区以及西亚等地区, 气候干燥, 常年干 旱少雨, 年平均降水量仅为 145mm, 由于极度缺乏水, 导致土地以每年2500km 2 的速度沙化, 生态环境日益 恶化。在一些严重干旱地区, 甚至连饮用水都没有解决, 严重阻碍该地区经济及社会发展。然而, 相关水 资源资料表明, 在这些地区有些区域蕴藏着丰富的地下水资源, 如果能将这些干旱地区地下水资源进行合理的开发利用, 必将给那些地区带来巨大的经济效益和社会效益。提取地下水资源的关键在于动力, 由于这些区域远离电网, 且交通不便 ( 如我国西部无电地 区及边防海岛等, 特别是新疆的南疆地区, 许多地区居民居住分散, 而且居住人也很少, 一般村庄只有 20~ 50户人家) , 这些村庄之间相距几十到几百公里, 平均距电网 70km, 一般对电的需求仅仅是抽取地下水用于生活、农田灌溉和照明等。在新疆 50km 范围内, 每架设1km的 11kV电网约 14万元, 而每架设1km的35kV电网约8万元。在新疆等西部地区, 村庄之间距离非常远, 电网利用率很低, 巨额的投资得不到应有的回报, 国家不可能为解决各小村庄的民用电问题而投入巨额资金, 因此这些偏远地区及高山哨所等用电问题必须依靠其他方法。 到目前为止, 太阳能发电是解决这一问题最经济 合理和简便有效的方法。西亚地区及我国西部干旱地区, 由于远离海洋, 云量少, 晴天多, 太阳能辐射强( 大部分地区全年太阳能辐射量达到 5 000~ 6 000MJ/m 2 ), 日照时间长( 年日照时间达到2500- 3500h) , 属于太阳能资源丰富地区, 所以光伏发电和提水自然就成了解决这些地区供电、供水问题的最佳选择。再加上近年来光伏器件的不断降价、太阳电池的效率不断提高 和光伏水泵具有的特点, 为推广光伏水泵系统提供了十分优越的条件 [ 2 - 3] 。 为了促进可再生能源的开发利用, 增加能源供应, 改善能源结构, 保障能源安全, 保护环境, 实现经济社会的可持续发展, 我国已把可再生能源开发利用 的科学技术研究和产业化列为优先发展领域。随着可再生能源法的正式实施、国家对三农工作以及建设社会主义新农村的高度重视, 在我国缺电和缺水地区, 就地利用可再生能源提取地下水, 解决人畜和 农田灌溉用水,是改善当地农民生活条件和发展当地农业经济的有效措施之一。在无电缺水地区开发利用可再生能源提水, 既能就地解决能源问题, 又能使 生态和环境得到有效保护, 是实现农业经济可持续发展重要举措。 由于各地电力供应不正常以及大量农田难以架设电网等问题, 使得一些水井、池塘及河流远离电网。 通过远距离供电, 线路损耗过大, 电动水泵出水量大打折扣。有些水泵由于线路压降大甚至出不了水, 而许多农户至今仍在使用低效、耗能和污染严重的柴油机或汽油机抽水灌溉, 不仅造成用水费用高, 而且严重污染环境。光伏水泵系统具有绿色、环保、高效和 节能的特点, 既符合国家新能源政策, 又能为农民解决实际问题, 极具推广价值。  

  近几年来, 光伏水泵系统的数量在世界范围迅速 增长, 特别是非洲、南美、澳洲及亚洲各国, 其增长幅 度相当大。现在, 我国西部地区也越来越多地使用这 种水泵。

  3、光伏水泵发展趋势

   泵类产品是我国耗能较大的产品, 约占电力总消 耗的 1/5。目前, 光伏水泵控制系统都采用最大功率点跟踪技术优化太阳能电池与负载之间的匹配, 既保证太阳能电池时刻处于最大输出功率点工作, 又可以根据水泵运行工况来调整太阳能蓄电池的输出功率, 从而更加合理地利用太阳能电池, 节约能源。 此外, 现有光伏水泵流量范围小, 在很大流量时有可能会超过太阳能光伏电机的功率, 而电机只能在本身的最大功率运行, 从而导致水泵不在最优工况下运行, 使得系统效率非常低, 造成光伏电池资源的浪 费。因此, 针对光伏系统开发流量范围宽和高效区宽 的专用光伏水泵会节约大量的光伏电池, 为我国节约 大量的资金投入, 具有很好的社会经济效益。  

 4、结语

   针对目前光伏水泵系统存在的主要问题, 太阳能 光伏水泵系统的发展的重点应放在电机研制、开发上 以及对水泵相关特性的研究上, 从而使光伏水泵应用 前景更加广阔。