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1 引言
縱觀全球，人口的快速增長和工業(yè)化程度的不斷提高帶來的能源短缺和環(huán)境污染問題己成為當(dāng)今世界共同面臨的嚴(yán)峻問題。積極開發(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)保機構(gòu)以及包括各國政治首腦在內(nèi)的能源主管部門的極大關(guān)注。開發(fā)新能源，使用替代能源和開發(fā)利用空間資源已成為在社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展推動下的必然措施。在這種形式下，太陽能光伏技術(shù)也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。
光伏揚水系統(tǒng)的數(shù)量在近年來迅速增長，特別是在非洲，南美，澳洲及亞洲各國的增長幅度相當(dāng)大。目前，世界銀行和聯(lián)合國共同推薦光伏揚水作為解決邊遠(yuǎn)地區(qū)人畜引水和農(nóng)業(yè)灌溉問題的首選技術(shù)。
光伏揚水與照明綜合系統(tǒng)將傳統(tǒng)分別獨立的光伏揚水和光伏照明系統(tǒng)合而為一，不僅具有無噪音、無污染、全自動和高可靠性等優(yōu)點，還使得太陽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（最大功率點跟蹤）控制，DC／AC變頻控制和充放電控制。它主要實現(xiàn)的功能有：在陽光充足的白天為電機水泵負(fù)載提供最大限度的功率輸出；而在陽光欠充足的清晨或傍晚時以最大限度的功率提供給蓄電池組充電；在沒有陽光的黑夜，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示出了光伏揚水與照明綜合系統(tǒng)的電路原理圖。該系統(tǒng)的各個功能之間的切換是由開關(guān)SW1和開關(guān)SW2來實現(xiàn)的。
2．l光伏陣列
目前，光伏市場的太陽能電池多為單晶硅太陽電池，多晶硅的市場份額正在逐年增長，非晶硅雖然也占有一席之地，但其市場份額只有百分之十幾。太陽電池的輸出伏安特性具有強烈的非線性，而且和日照強度，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，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。考慮到實際應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)載的變頻器一電機―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)的電壓等級及裝機容量以后，光伏電池即可分為若干組并聯(lián)連接，如圖2所示。
2.2 MPPT（最大功率點跟蹤）控制器
根據(jù)太陽電池的工作原理，當(dāng)光照強度，溫度等自然條件改變時，太陽電池的輸出特性將隨之改變，輸出功率及最大工作點亦相應(yīng)改變。在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，自然光的輻射強度及大氣的透光率均處于動態(tài)變化中，這就給光伏系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了困難。另外，光伏揚水系統(tǒng)的負(fù)載電機可能是直流電機，也可能是交流電機或其它新型電機。正是由于諸多的難以預(yù)知因素影響著光伏陣列的輸出，使得實際系統(tǒng)中必須有一個適配器，來保證電源和負(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，它還可以使光伏揚水與照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)在任何日照強度下都能工作在最優(yōu)狀態(tài)。它的主要功能是：檢測主回路直流側(cè)電壓及輸出電流，計算出太陽電池陣列的輸出功率，并實現(xiàn)對最大功率點的追蹤；實現(xiàn)特殊的保護(hù)功能如欠電壓，過負(fù)荷，過低負(fù)荷，井水打干等。
2.3 DC/AC變頻裝置
近年來，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。傳統(tǒng)的有刷直流電動機也逐漸被三相異步電動機和直流天刷電動機所淘汰。在實際中應(yīng)用的電動機是專門設(shè)計的變頻調(diào)速三相異步電動機。因而DC/AC變頻裝置成為必不可少的組件。考慮到風(fēng)機水泵類負(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)太陽光照強度減到一定時候，光伏陣列的最大輸出功率已經(jīng)無法繼續(xù)驅(qū)動水泵抽水，主控制器將切換SW1狀態(tài)來啟動充電控制電路，對鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，而當(dāng)光伏陣列的輸出電壓降至零值即天黑時，主控制器將閉合放電開關(guān)SW2，啟動照明負(fù)載。該充電控制電路不僅要完成光照欠強條件下的最大功率點搜索及產(chǎn)生相應(yīng)的PWM驅(qū)動充電開關(guān)T7，同時還要完成鉛酸蓄電池組的充電狀態(tài)（SOC）檢測及與蓄電池組有關(guān)的保護(hù)措施。
3實例應(yīng)用
1999年10月及11月，兩臺2.5kw太陽能光伏揚水與照明綜合應(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)。到目前為止一直運行良好。實測的數(shù)據(jù)表明在晴天條件下，全年平均日出水量為60m3以上，在日照強烈時，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)場實測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)平均每小時出水10m3以上。不僅解決了當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉的問題，而且也產(chǎn)生了良好的示范作用。
4我國光伏技術(shù)市場與系統(tǒng)的推廣前景
我國是以煤炭為主要消費能源的國家。較之以油、氣為主的能源消費主流，能源結(jié)構(gòu)很不合理。在相當(dāng)長的歷史時期，我國曾把發(fā)展能源、交通作為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展重點，對能源資源過度的開采和粗放型使用，不惜以環(huán)境污染作為代價，試圖突破能源和交通對國民經(jīng)濟(jì)的制
縱觀全球，人口的快速增長和工業(yè)化程度的不斷提高帶來的能源短缺和環(huán)境污染問題己成為當(dāng)今世界共同面臨的嚴(yán)峻問題。積極開發(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)保機構(gòu)以及包括各國政治首腦在內(nèi)的能源主管部門的極大關(guān)注。開發(fā)新能源，使用替代能源和開發(fā)利用空間資源已成為在社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展推動下的必然措施。在這種形式下，太陽能光伏技術(shù)也進(jìn)入了快速發(fā)展的階段。
光伏揚水系統(tǒng)的數(shù)量在近年來迅速增長，特別是在非洲，南美，澳洲及亞洲各國的增長幅度相當(dāng)大。目前，世界銀行和聯(lián)合國共同推薦光伏揚水作為解決邊遠(yuǎn)地區(qū)人畜引水和農(nóng)業(yè)灌溉問題的首選技術(shù)。
光伏揚水與照明綜合系統(tǒng)將傳統(tǒng)分別獨立的光伏揚水和光伏照明系統(tǒng)合而為一，不僅具有無噪音、無污染、全自動和高可靠性等優(yōu)點，還使得太陽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（最大功率點跟蹤）控制，DC／AC變頻控制和充放電控制。它主要實現(xiàn)的功能有：在陽光充足的白天為電機水泵負(fù)載提供最大限度的功率輸出；而在陽光欠充足的清晨或傍晚時以最大限度的功率提供給蓄電池組充電；在沒有陽光的黑夜，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示出了光伏揚水與照明綜合系統(tǒng)的電路原理圖。該系統(tǒng)的各個功能之間的切換是由開關(guān)SW1和開關(guān)SW2來實現(xiàn)的。
2．l光伏陣列
目前，光伏市場的太陽能電池多為單晶硅太陽電池，多晶硅的市場份額正在逐年增長，非晶硅雖然也占有一席之地，但其市場份額只有百分之十幾。太陽電池的輸出伏安特性具有強烈的非線性，而且和日照強度，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，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。考慮到實際應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)載的變頻器一電機―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)的電壓等級及裝機容量以后，光伏電池即可分為若干組并聯(lián)連接，如圖2所示。
2.2 MPPT（最大功率點跟蹤）控制器
根據(jù)太陽電池的工作原理，當(dāng)光照強度，溫度等自然條件改變時，太陽電池的輸出特性將隨之改變，輸出功率及最大工作點亦相應(yīng)改變。在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，自然光的輻射強度及大氣的透光率均處于動態(tài)變化中，這就給光伏系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了困難。另外，光伏揚水系統(tǒng)的負(fù)載電機可能是直流電機，也可能是交流電機或其它新型電機。正是由于諸多的難以預(yù)知因素影響著光伏陣列的輸出，使得實際系統(tǒng)中必須有一個適配器，來保證電源和負(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，它還可以使光伏揚水與照明綜合應(yīng)用系統(tǒng)在任何日照強度下都能工作在最優(yōu)狀態(tài)。它的主要功能是：檢測主回路直流側(cè)電壓及輸出電流，計算出太陽電池陣列的輸出功率，并實現(xiàn)對最大功率點的追蹤；實現(xiàn)特殊的保護(hù)功能如欠電壓，過負(fù)荷，過低負(fù)荷，井水打干等。
2.3 DC/AC變頻裝置
近年來，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。傳統(tǒng)的有刷直流電動機也逐漸被三相異步電動機和直流天刷電動機所淘汰。在實際中應(yīng)用的電動機是專門設(shè)計的變頻調(diào)速三相異步電動機。因而DC/AC變頻裝置成為必不可少的組件。考慮到風(fēng)機水泵類負(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)太陽光照強度減到一定時候，光伏陣列的最大輸出功率已經(jīng)無法繼續(xù)驅(qū)動水泵抽水，主控制器將切換SW1狀態(tài)來啟動充電控制電路，對鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，而當(dāng)光伏陣列的輸出電壓降至零值即天黑時，主控制器將閉合放電開關(guān)SW2，啟動照明負(fù)載。該充電控制電路不僅要完成光照欠強條件下的最大功率點搜索及產(chǎn)生相應(yīng)的PWM驅(qū)動充電開關(guān)T7，同時還要完成鉛酸蓄電池組的充電狀態(tài)（SOC）檢測及與蓄電池組有關(guān)的保護(hù)措施。
3實例應(yīng)用
1999年10月及11月，兩臺2.5kw太陽能光伏揚水與照明綜合應(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)。到目前為止一直運行良好。實測的數(shù)據(jù)表明在晴天條件下，全年平均日出水量為60m3以上，在日照強烈時，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)場實測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)平均每小時出水10m3以上。不僅解決了當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉的問題，而且也產(chǎn)生了良好的示范作用。
4我國光伏技術(shù)市場與系統(tǒng)的推廣前景
我國是以煤炭為主要消費能源的國家。較之以油、氣為主的能源消費主流，能源結(jié)構(gòu)很不合理。在相當(dāng)長的歷史時期，我國曾把發(fā)展能源、交通作為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展重點，對能源資源過度的開采和粗放型使用，不惜以環(huán)境污染作為代價，試圖突破能源和交通對國民經(jīng)濟(jì)的制
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