太阳能扬水与照明综合应用系统技术方案

本发明专利技术属太阳能应用技术领域，包括光伏阵列、电力电子逆变器、电机、水泵、蓄电池充放电功能及最大功率跟踪器；该光伏阵列通过阵列接线盒并联两个电力电子逆变器，一个直流／交流逆变器与所说的电机与水泵相连，另一个直流／直流逆变器同时分别与蓄电池充放电系统与照明系统相连；最大功率点跟踪器通过控制总线与该两个电力电子逆变器相连。本发明专利技术使太阳能得以最优应用，提高了整个系统的效率，可快速地实现复杂的控制算法，具有更大的功率密度和更高的效率。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于太阳能应用
，特别涉及太阳能扬水与照明综合应用系统结构设计。太阳能作为一种清洁无污染的自然能源，既可以缓解一次能源危急，又能大大改善生态环境。国外从1975年起就有了简单的太阳能水泵。80年代，欧洲各发达国家和美国等相继开发了太阳能水泵系统，同时也将太阳能应用到照明系统上。从发展技术上看，美国德克萨司能源系统公司已成功地推出系列光伏水泵产品，功率从50瓦--500瓦，最大扬程可达70米。德国能源工业服务公司推出太阳能光电栓塞水泵系统，功率从100瓦--1000瓦，最大扬程可达180米，已批量生产，并投入实际运行。典型的原有系统构成及工作原理如附图说明图1所示，该系统从太阳能电池阵列11发出来的直流电功率通过恒电压控制器12送到电力电子逆变器13变成交流电，以此驱动电机14进而带动水泵15抽出水来。这种恒电压控制方式简单，但从光伏阵列输出的能量不能得以充分的利用；它采用以单片机为控制器的逆变器，不能实现快速运算和最优电能分配管理；同时采用传统交流电机，效率低，功率密度小。另外扬水与照明是分开的独立系统，能源不能综合利用，系统功能不强。本专利技术的目的是为克服以上已有技术的不足之处，提出了一种太阳能扬水与照明综合应用系统，将传统的分别独立的扬水系统与照明系统有机地结合起来，使太阳能得以最优应用；采用最大功率点跟踪控制，使得整个系统始终工作在功率输出最大的状态，从而提高了整个系统的效率；用以数字信号处理器(DSP)为基础的控制系统DSP具有更高的运算速度和更加强大的扩展功能，从而可以快速地实现复杂的控制算法；采用高效变频调速异步电机驱动潜水泵，具有更大的功率密度和更高的效率。本专利技术提出的一种太阳能扬水与照明综合应用系统，包括光伏阵列、电力电子逆变器、电机和水泵，其特征在于，还包括蓄电池充放电功能及最大功率跟踪器；该光伏阵列通过阵列接线盒并联两个电力电子逆变器，其中，一个直流/交流逆变器与所说的电机与水泵相连，另一个直流/直流逆变器同时分别与蓄电池充放电系统与照明系统相连；所说的最大功率点跟踪器通过控制总线与该两个电力电子逆变器相连。本专利技术所说的电力电子逆变器可由三相全桥式IGBT电路所组成。所说的最大功率跟踪器可由检测电路与数字信号处理器(DSP)所组成。所说的蓄电池充放电系统可由免维护铅蓄电池及电池状态监控电路所组成。所说的电机可采用高效变频调速异步电机。该专利技术具有以下的特点1、将原先分别独立的扬水系统与照明系统有机地结合起来使太阳能得以最优应用当光照较强时，可以自动地利用光伏阵列的输出电能带动电机和水泵将地下水抽出到地面。同时，当阳光较弱时，即太阳能电池输出功率小于300瓦时，该系统自动地通过可控的充电器向蓄电池充电；而当临近夜色时，该系统又自动地向电灯放电，供照明使用。2、采用最大功率点跟踪控制，使得整个系统始终工作在功率输出最大的状态，从而比原先的恒压控制更有效地利用了太阳能，提高了整个系统的效率。3、用以数字信号处理器(DSP)为基础的控制系统替换了原来的普通单片机控制系统。DSP具有更高的运算速度和更加强大的扩展功能，从而可以快速地实现复杂的控制算法。4、采用高效变频调速异步电机驱动潜水泵，这种电机较传统的异步电机更加适合于逆变器供电下的变频调速，具有更大的功率密度和更高的效率。附图简要说明图1为已有技术典型的太阳能水泵系统构成及工作原理示意图。图2为本专利技术的太阳能扬水与照明综合应用系统原理框图。图3本实施例光伏阵列的伏安特性示意图。图4为本实施例专利技术的三相电力电子逆变器的主电路原理图。图5为光伏阵列在不同日照下的最大功率点A’、B’、C’、D’、E’位置示意图。图6为本实施例最大功率点跟踪器工作原理示意图。图7为本专利技术的高效变频调速异步电机的转矩-转速特性示意图。图8显示了本实施例电机结构的平面图。图9为本实施例的充电和放电系统工作原理示意图。图10为本实施例的充电和放电控制器的控制流程图。结合各附图分别说明本专利技术系统及各个部分实施例的功能和工作原理本专利技术系统原理如图2所示。该扬水与照明系统的构成及工作过程如下；从光伏阵列21出来的直流电功率一方面通过直流/交流电力电子逆变器22以驱动高效异步电机23与水泵24，将地下水提升到地面；另一方面，通过直流/直流电力电子变换器25对蓄电池26进行充电或由蓄电池放电供照明27所用。整个电能分配由最大功率点跟踪器28控制管理，通过控制线连接到逆变器22和变换器25。本实施例的光伏阵列由单晶硅片串并联而成，它把太阳能转换为直流形式的电能。图3示出了它的伏安特性，其横轴为太阳电池的输出电压，纵轴为太阳电池的输出电流，在不同的日照功率下，它的伏安特性是不同的，图中曲线31、32、33、34和35分别表示在日照功率S＝200W/M2(瓦/平方米)、400W/M2、600W/M2、800W/M2和1000W/M2的伏安特性。它们具有很强的非线性特点。太阳电池的额定功率是在以下条件下定义的当日照功率S＝1000W/M2，太阳电池温T＝25℃，大气压力AM＝1.5时，太阳电池输出的最大功率是它的额定功率。各伏安特性曲线上的大黑圆点表示在相应日照功率下太阳电池输出最大功率的位置，称为“最大功率点”。图3中的曲线36即为各不同光照下的最大功率点曲线。在太阳电池作为电源的具体系统中，单个太阳电池的输出功率往往太小，因此作为太阳电池的最终产品，总是取若干个太阳电池串联(或并联)后封装在一起，组成光伏阵列。此图同样可以看作是光伏阵列的伏安特性。本实施例的三相电力电子逆变器的主电路如图4所示，它由六个电力电子可控开关器件IGBT41和六个二极管42构成三相全桥式逆变电路，AA’端与直流电源(光伏阵列)相连接，大容量的电解电容C043作为储能元件直接跨接在直流侧两端。开关控制信号从IGBT41的控制端44输入，当六个可控开关器件IGBT按一定顺序开关时，输出端子45、46和47输出三相电压和电流到电机，驱动电机旋转。电机转速与IGBT顺序开关频率相一致。光伏阵列的电压和电流输出特性体现出强烈的非线形，而且和日照强度、环境温度、气象条件等因素密切相关。图5仍为光伏阵列的伏安特性图，曲线51，52，53，54，55与图3中意义相同。而曲线56，57分别表示负载曲线和最大功率点曲线。A’、B’、C’、D’、E’是曲线57与各光照下的伏安特性曲线的交点，它们表示光伏阵列在不同日照下的最大功率点位置。A、B、C、D、E是曲线56与各光照下的伏安特性曲线的交点，它们表示恒定负载时(风机水泵类负载)光伏阵列的工作点。可以看到，恒定的负载或一般意义的恒压控制不能充分的利用太阳能。要使光伏水泵系统工作在比较理想的状况，而且对于任何日照，都要发挥在当前日照下光伏阵列输出功率的最大潜力，则需要一个适配器，使电源和负载之间能达到和谐、高效、稳定的工作状态。这样的适配器称之为最大功率点跟踪器(Maximum Power Point Tracking--MPPT)。本实施例的最大功率点跟踪器原理结构如图6所示。霍尔元件62检测到光伏阵列61直流输出侧的电流和电压，送到数字信号处理器(DSP)63，DSP快速计算出太阳电池阵列的输出功率而找到最大功率点，然后根据此时最大功率的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能扬水与照明综合应用系统，包括光伏阵列、电力电子逆变器、电机和水泵，其特征在于，还包括蓄电池充放电功能及最大功率跟踪器；该光伏阵列通过阵列接线盒并联两个电力电子逆变器，其中，一个直流／交流逆变器与所说的电机与水泵相连，另一个直流／直流逆变器同时分别与蓄电池充放电系统与照明系统相连；所说的最大功率点跟踪器通过控制总线与该两个电力电子逆变器相连。

【技术特征摘要】
1.一种太阳能扬水与照明综合应用系统，包括光伏阵列、电力电子逆变器、电机和水泵，其特征在于，还包括蓄电池充放电功能及最大功率跟踪器；该光伏阵列通过阵列接线盒并联两个电力电子逆变器，其中，一个直流/交流逆变器与所说的电机与水泵相连，另一个直流/直流逆变器同时分别与蓄电池充放电系统与照明系统相连；所说的最大功率点跟踪器通过控制总线与该两个电力电子逆变器相连。2.如权利要求1所述的太阳能扬水与照明综合应用系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵争鸣，卢强，刘云峰，孟朔，袁立强，陈昆仑，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]