光伏水泵系统设计与试验研究

【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。 【关键词】：光伏泵 流动分析 最大功率 充放电 控制 试验
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH38
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 光伏水泵的概述及应用前景11-12
• 1.2 光伏水泵系统的发展现状及不足12-16
• 1.3 本论文的主要研究内容16-17
• 第2章 太阳能电池阵列分析17-26
• 2.1 太阳能电池简介17
• 2.2 太阳能电池的结构原理17-19
• 2.3 太阳能电池的输出特性19-24
• 2.3.1 太阳电池的辐射强度特性20-22
• 2.3.2 太阳电池的温度特性22-23
• 2.3.3 太阳电池的光线入射角θ特性23-24
• 2.4 阵列的构成和搭建24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 光伏水泵分析及流场的数值模拟26-43
• 3.1 光伏水泵概述26-28
• 3.1.1 PV阵列与机泵系统的工作点27
• 3.1.2 光伏水泵与常规水泵的差异27-28
• 3.2 光伏水泵内流动特性分析28-33
• 3.2.1 叶轮入口冲击损失分析28-31
• 3.2.2 进出口附近的二次流分析31-33
• 3.3 光伏水泵流场的数值方法33-37
• 3.3.1 流场基本理论33-36
• 3.3.2 控制方程组的离散与解法36-37
• 3.4 光伏水泵流场的数值计算37-41
• 3.4.1 流道的三维造型与网格划分37-38
• 3.4.2 边界条件与求解控制参数38-39
• 3.4.3 模拟结果分析及性能预测39-41
• 3.5 光伏水泵的设计方法41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第4章 光伏水泵系统的最大功率跟踪控制43-55
• 4.1 最大功率跟踪的意义及其实现方法43-44
• 4.1.1 最大功率跟踪的意义43
• 4.1.2 常见的最大功率跟踪算法43-44
• 4.2 双重判据五段式扰动观察法跟踪策略44-48
• 4.3 跟踪电路硬件设计48-54
• 4.3.1 AT89S52单片机介绍48
• 4.3.2 电路总体结构48-49
• 4.3.3 DC-DC斩波电路49-50
• 4.3.4 DC-AC逆变电路介绍50-51
• 4.3.5 阵列输出电压、电流检测电路51-52
• 4.3.6 系统保护电路设计52-53
• 4.3.7 防干打水位监测电路53-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第5章 光伏水泵系统的蓄电池充放电控制55-66
• 5.1 铅酸蓄电池特性55
• 5.2 光伏蓄电池组的非均衡性及其后果55-56
• 5.3 蓄电池充放电的智能化均衡控制原理56-57
• 5.4 基于NI Multisim 10.0均衡控制硬件电路设计57-65
• 5.4.1 电池单体端电压检测电路57-59
• 5.4.2 A/D转换芯片及其外围电路59-61
• 5.4.3 晶闸管驱动电路61-64
• 5.4.4 电路的指示和保护功能64-65
• 5.5 本章小结65-66
• 第6章 光伏水泵系统试验研究66-74
• 6.1 光伏水泵试验系统介绍66-67
• 6.2 试验系统软件结构67-70
• 6.2.1 MPPT控制流程68-69
• 6.2.2 蓄电池充放电控制流程69-70
• 6.3 系统试验过程70-71
• 6.4 试验结果及分析71-73
• 6.4.1 最大功率跟踪效果试验71-73
• 6.4.2 电池充放电控制试验73
• 6.5 本章小结73-74
• 第7章 总结与展望74-76
• 7.1 主要研究结论74-75
• 7.2 下一步工作及展望75-76
• 参考文献76-83
• 致谢83-84
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文84

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