1、 摘要 毕业设计（论文）题目 光伏水泵系统设计 摘要 I摘要地球环境由于燃烧大量矿物能源已经产生了明显的变化，人类的生存环境正在逐渐恶化。减少传统能源的消耗、减少温室气体的排放和保护环境已经迫在眉睫。太阳能是一种无污染、有极强的经济性的新能源。由于太阳能能有效的解决资源和环境问题，其应用和普及越来越受到人们的重视。光伏水泵技术是太阳能技术的一部分，由于其清洁无污染，不消耗燃料的特点，在人民生活供水和干旱地区农田灌溉方面有广阔的应用前景。光伏水泵系统是直接利用太阳电池光生伏特效应发电，通过光伏阵列、控制器、电机、水泵等控制及执行环节来提水的系统。本文论文的主要工作如下：(1) 了解光伏发电的基本
2、原理，分析光伏水泵系统的原理与特性(2) 对光伏阵列进行建模与分析(3) 对最大功率跟踪方法进行详细的叙述，判断其优缺点，并利用MATLAB 进行建模与仿真(4) 对光伏水泵系统进行分析和选型(5) 研究无刷直流电机的 PWM 控制、预定位起动方式。 关键词： 光伏水泵系统 最大功率跟踪 无刷直流电机 脉冲宽度调制(PWM)Abstract IIThe design of solar Photovoltaic pump system AbstractDue to the burning of fossil energy，the earths environment has produced s
3、ignificant changes. The environment of human being is gradually deteriorated. Reducing tradition energy consumption，greenhouse gas emissions and protecting the environment have been imminent. Solar energy is a kind of new energy which has characteristic of no pollution and economy. Because of solar
4、power can effectively solve the problem of resources and environment，people more and more get the attention of their application and popularize. Photovoltaic pump technology is a part of the solar technology. Owing to the feature of no pollution and no fuel consumption. Solar photovoltaic pump syste
5、m has broad application prospects in the field of peoples life for irrigation water and dry areas.The photovoltaic pump system uses photovoltaic panels which produce electricity directly from sunlight using silicon ceil and drive the pump through a series of new technologies such as photovoltaic arr
6、ay，control units， electronics， motors and different modern devices to bring up the water. This topic research of photovoltaic pump system drove by Brushless Direct Current Motor (BLDC).The main content in this paper is:(1)Learning the basic principles of photovoltaic energy generation. Analys-ing th
7、e principles and the characteristics of photovoltaic pump system.(2) Modeling and analysing the characteristics for photovoltaic array.(3) Accounting of the maximum power point tracking in detail and judging theirs advantages and disadvantages .Using MATLAB software to modeling and simulation.(4) An
8、alysis and selection the photovoltaic water pump system(5) Studying the brushless dc motor PWM control and Pre-setting starting The key words Photovoltaic pump system maximum power point trackingBrushless Direct Current Motor Pulse Width Modulation(PWM) 目录 IIIIII目录 第一章 绪论 .11.1 太阳能光伏发电发展现状 .11.2 光伏水
9、泵系统的概况 .11.3 本论文的主要研究内容 .2第二章 光伏水泵系统的原理 .32.1 光伏水泵各组成部件 .32.2 太阳能电池阵列 .42.2.1 太阳电池分类 .42.2.2 太阳电池工作原理 .52.2.3 太阳电池的等效电路 .52.2.4 太阳电池的特性曲线 .62.2.5 太阳能电池的输出特性 .62.3 光伏水泵系统的最大功率跟踪控制(MPPT) .82.3.1 阵列的构成和搭建 .92.3.2 最大功率跟踪的意义及其实现方法 .102.4 光伏水泵系统电机研究 .122.4.1 电机的选择 .122.4.2 无刷直流电机结构 .132.5 光伏水泵 .132.5.1 光伏
10、水泵的构成 .132.5.2 光伏水泵系统的配置估算 .162.6 光伏水泵系统的选型 .172.6.1 光伏水泵系统特点 .182.6.2 系统设计方案及报价 .192.6.3 设备选型 .19第三章 太阳能光伏水泵系统的控制 .233.1 光伏阵列控制的硬件电路 .233.2 无刷直流电机控制策略 .263.2.1 无位置传感器的无刷直流电机的转子位置检测 .263.2.2 无位置传感器的无刷直流电机的起动 .27目录 IVIV3.2.3 无刷直流电机的 PWM 控制策略 .27第四章 光伏水泵系统的仿真 .294.1 太阳能光伏阵列的仿真 .294.2 基于扰动观察法的光伏阵列仿真 .3
11、1第五章 结束语与展望 .345.1 总结及有待完善的问题 .345.2 对未来的展望 .34参考文献： .35致 谢 .37第一章 绪论0第一章 绪论21 世纪以来，能源与环境已经成为了人类面临的两大难题。虽然目前世界各国还是以石油、煤炭天然气等原材料为主要能源，但是这必将导致环境的污染以及资源的日益枯竭。虽然中国的总体资源比较丰富，尤其是煤矿资源。目前能源产量高居世界第二，但由于人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。传统能源严重污染生态环境，对子孙后代危害巨大。因此走可持续发展战略，大力发展可再生能源，已经成为人们的共识。 太阳能是一种非常理想的洁净无污染的新能源，取之不尽、用
12、之不竭，不会破坏生态环境，有明显的经济价值和极大地市场前景。我国太阳能资源丰富。全国各地太阳年辐射总量为 3340-8400MJ/ 。2m太阳能资源分布有明显的地域性，宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部等地是中国太阳能资源最丰富的地区。在我国的大西北，太阳能具有十分巨大的开发潜力。1.1 太阳能光伏发电发展现状光伏发电由于具有随处可用，运行成本低，无污染，无噪音，不产生废弃物的特点在世界各国的支持以及相关政策的激励之下，正在迅猛发展。从 2001 到 2008 年期间，每年的增长速率高达 50.2%。其中 2007 到2008 年，光伏安装量更是翻了一番，从 3.34 GW 上
13、升至 6.85GW。德国、美国、日本三国家是主要的利用太阳能的国家，西班牙紧随其后。第一章 绪论1图 1.1 2008 年全球光伏发 电市场份额图 1.2 2001-2008 年中国光伏系统安装及增速尽管 2009 年世界经历了金融危机，光伏产业依然没有停下脚步。欧洲地区德国独占鳌头，光伏总安装量从 1.8GW 提高到 3.8GW。意大利紧随其后，其余欧洲国家也迅猛发展。美国日本同样发展迅速，在世界光伏产业中占有较高的比重。但是与此同时西班牙的风光不再。EPIA 发布了 2010-2014 年的光伏预测报告中，欧洲仍占主导，德国蝉联第一，日本和美国将主导欧洲以外的市场，中国和印度也将在未来五年
14、中发展成潜力可观的潜力市场，其中中国将有望迅速成为亚洲以及世界的主要市场。2014 年全球年光伏安装量将达到 30GW，到 2030 年，有超过 25亿人口可能从太阳能中受益。光伏发电六元一度的价格和传统电价相比完全没有竞争力，因此在2009 年轻我国的光伏发电市场比较低迷，装机量非常低下。2009 年金融危机时期，我国政府出台了国内光伏补贴计划，中国光伏企业大量扩展产能，使中国的光伏产业得到了极大的发展。2011 年，国家对光伏上网电价进行补贴，十二五规划又对光伏产业增大投入，使中国光伏产品成功冲击国外市场。但是好景不长，欧盟和美国为保护自身利益，对中国的光伏产品征收重税，进行贸易调查，使中
15、国光伏产品危机四伏。1.2 光伏水泵系统的概况光伏水泵系统是一种以太阳能为能源进行提水灌溉的系统。太阳能资源无穷无尽，与传统能源相比无污染，对环境影响较小，对生态保护能力1.3 本论文的主要研究内容1较强。在沙尘天气日益横行的中国西北部，光伏水泵系统能有效的改善当地的生态环境，同时也能有效的解决中国缺水地区居民的饮水问题。因此在中国西部及西北地区，光伏水泵系统受到了广大农牧民的特别青睐。同时在中国西部及西北地区阳光资深却极为丰富，而且有相当大的地区同时具有丰富的地下水资，光伏水泵系统因此也成了解决问题的最好选择。近几年来，在我国西部地区建立了几个光伏水泵系统实验示范点，实际运行结果表明光伏水泵
16、系统的技术是可行的。目前光伏水泵技术已经达到了可以批量生产的程度，其技术水平己经可以和国外发达国家的产品水平相媲美。光伏水泵系统给这些地区带来巨大的经济和生态效益，为西部地区发展新农村战略提供一条有效的途径。近几年来，光伏水泵以及在全世界范围内得到极大的发展和应用。国内外大量的实验以及应用表明，光伏水泵技术已经走向成熟，能提供巨大的经济和生态效益，对农业灌溉及景观用水有极大的适用空间。1.3 本论文的主要研究内容研究的内容：(1) 了解太阳能光伏发电及光伏水泵的历史和发展前沿。(2) 了解光伏发电的原理及阵列的组成。(3) 熟悉控制器及其控制原理。(4) 掌握光伏水泵系统中光伏阵列的最大功率点
17、的跟踪内容。(5) 掌握光伏水泵系统中选型。拟解决的主要问题(1) 对太阳能光伏水泵系统的整体部分进行了解。(2) 对太阳能光伏阵列的 MATLAB 建模与仿真。(3) 对光伏阵列最大功率跟踪点（MPPT）建模与仿真。研究方法、步骤及措施：(1) 查阅相关资料、收集光伏水泵的相关文献、熟悉太阳能光伏水泵系统的组成及工作原理。(2) 学习 MATLAB 的编程方法及仿真工具的实用。(3) 基于 MATLAB 的光伏阵列模型并进行仿真。(4) 基于 MATLAB 的最大功率跟踪控制算法模型并进行仿真。(5) 对光伏水泵进行研究并进行选型。1.3 本论文的主要研究内容2第二章 光伏水泵系统的原理光伏
18、水泵系统也叫做光伏扬水系统，原理是利用半导体吸收太阳日照辐射能量，将其转化为电能，为系统提供动力电源，然后通过电机驱动水泵提水。可以说光伏水泵系统是一个集合了电力电子、电机、水机、计算机控制和太阳能的采集、变换等多个学科的最新技术的一个比较典型的光能、机、电一体化系统，是我国新能源产业的重点发展方向。2.1 光伏水泵各组成部件光伏阵列光伏阵列控制器控制器电机电机水泵水泵阳光水图 2.1 光伏水泵系统工作原理简图1.光伏阵列光伏阵列是由多块太阳能电池组件串并联成阵列，阵列的容量可达数百峰瓦甚至数个兆峰瓦(MW)。光伏阵列以由单晶硅、多晶硅、带状晶硅等太阳能电池组成。由于太阳能电池由大量的半导体器
19、件构成，所以光伏阵列的温度特性和伏安特性会出现非线性的情况。2控制器在光伏阵列存在非线性的电源特性的情况下，控制器的作用是让光伏阵列不管在什么温度和日照下都能达到最大功率输出，该技术也称为最大功率点跟踪控制(Maximum Power Point Tracking)。3电机电机的选择根据现实需求及系统而定，对于 1KW 功率的光伏水泵系统，由于功率较小，多采用无刷直流电机驱动；考虑到太阳早晚光照不同导致第二章 光伏水泵系统的原理3系统负载率早晚变化较大以及光伏阵列的非线性，电机必须使其全日、全年的总平均效率值保持在较高的状态。 4水泵 水泵的选择要充分考虑功率与扬程流量的关系。在功率不大的系统中，小流量高扬程应选择容积水泵；大流量高扬程潜水电泵更合适；大流量低扬程可以选用自吸泵。5储水设施储水设施就是将水泵提取的地下水储存起来，作为备用。在干旱的时候可以使用，在水量充足的时候进行存储以备不时之需。2.2 太阳能电池阵列2.2.1 太阳电池分类太阳能电池的分类方法按结构分类、按使用状态分类、按用途分类、按基体材料分类、其分类情况如图 2.2 所示
