太阳能光伏水泵系统组成及工作原理(常用版).doc

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1、太阳能光伏水泵系统组成及工作原理（常用版）(可以直接使用，可编辑 完整版资料，欢迎下载）光伏水泵系统组成及工作原理光伏水泵系统组成及工作原理 系统组成及工作原理11 光伏水泵系统的结构图 由图1可知，系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。经过DCDC升压，和具有TMPPT功能的变频器后输出三相交流电压驱动交流异步电机和水泵负载，完成向水塔储水功能。其中主要包括4部分：太阳电池阵列；具有TMPPT功能的变频器；水泵负载；储水装置。 12 变频器主电路及硬件构成 本系统所采用的主电路及硬件控制框图如图2所示。主电路DCDC部分采用性能优越的推挽正激式电路进行升压；DCAC部分采用三相桥式逆变

2、电路。主功率器件采用ASIPM(一体化智能功率模块)PS12036，系统控制核心由16位数字信号控制器dsPIC30F2021构成。外围控制电路包括阵列母线电压检测和水位打干检测电路。系统首先通过初始设置的工作方式和PI参数工作，然后由MPPT子程序实时搜索出的电压值作为内环CVT的给定，通过PI调节得到工作频率值，计算出PWM信号的占空比，实现光伏阵列的真正最大功率跟踪(TMPPT)，并保持异步电机的Vf比为恒值。系统将MPPT和逆变器相结合，利用ASIPM模块自带的故障检测功能进行检测和保护，结构简单，控制方便。121 DCDC升压电路简述1211主电路选择 对于中小功率的光伏水泵来说，光

3、伏阵列电压大都是低压(24v、36v、48V)，对于升压主电路的选择，人们一般选择推挽电路，因为推挽电路变压器原边工作电压就是直流侧输入电压，同时驱动不需隔离，因此比较适合输入电压较低的场合。但是偏磁问题是制约其应用的一大不利因素，功率管的参数差异和变压器的绕制工艺都有可能使推挽电路工作在一种不稳定状态。基于诸多因素的考虑，本系统采用了结构新颖的推挽正激电路，此电路拓扑不仅克服了偏磁问题，而且闭环控制也比较容易(二阶系统)。12.l.2推挽正激电路简单分析 推挽正激电路如图2所示，由功率管S1及S2，电容C8和变压器T组成，变压器T原边绕组N1及N2具有相同的匝数，同名端如图2所示。当S1及S

4、2同时关断的时候，电容C8两端电压下正上负，且等于阵列电压，当S1开通，S1、N2和光伏阵列构成回路，N2上正下负，同时C8、N1和S1构成回路，C8放电，N1下正上负，此时的工作相当于两个正激变换器的并联。同理，当S2开通S1关断时，也相当于两个正激变换器的并联。经过理论分析，推挽正激电路是一个二阶系统，因此闭环控制简单，同时输出滤波电感和电容大大减小。1.2.2 dsPIC30F2021简单介绍 Microchip公司通过在16位单片机内巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F数字信号控制器(DSC)同时具有单片机(MCU)的控制功能以及数字信号处理器(DSP)的计算能

5、力和数据吞吐能力。因为它具有的DSP功能，同时具有单片机的体积和价格，所以本系统采用此芯片作为控制器。此芯片主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正等。dsPIC30F2021管脚示意如图3所示。12.21 主要结构 12KB程序存储器； 512字节SRAM： 1024字节EEPROM； 3个16位定时器； 4个输入捕捉通道； 2个输出比较标准PWM通道； 6个电机控制PWM通道； 6个10位500kspsSAD转换器通道。l 222 主要特点 AD采样速度快且多通道可以同时采样； 6个独立互补中心对

6、齐边沿对齐的PWM： 2个可编程的死区； 在噪声环境下5V电源可正常工作； 最低工作电压3V； AD采样和PWM同期同步。2 光伏水泵最大功率点跟踪(MPPT)设计21 常规恒定电压跟踪(CVT)方式的特点与不足 CVT方式可以近似获得太阳电池的最大功率输出，软件上处理比较简单。但实际上日照强度和温度是时刻变化的，尤其是在西部地区，同一天中的不同时段，温度和日照强度变化都相当大，这些都会引起太阳电池阵列最大功率点电压的偏移，其中尤以温度的变化影响最大。在这种情况下，采用CVT方式就不能很好地跟踪最大点。22 TMPPT的原理与实现 为克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum

7、 Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟踪”控制，即保证系统不论在何种日照及温度条件下，始终使太阳电池工作在最大功率点处。由于逆变器采用恒Vf控制，故水泵电机的转速与其输入电压成正比，因此，调节逆变器的输出电压，就等于调节了负载电机的输出功率。故本系统采用TMPPT方式使太阳电池尽可能工作在最大功率点处，为负载提供最大的能量。 由太阳电池阵列的特性曲线(见图4)可知， 在最大功率点处，dPdv=O，在最大功率点的左侧，当dPdVO时，P呈增加趋势，dPdVO时，P呈减少趋势，dPd v0，则Z1为+1，Z2为+1，Z3为+l，Usp*指令电压继续增加。如dP

8、dV2021年 4月 农 业 机 械 学 报 第 44卷 第 4期温室太阳能与地源热泵联合供暖系统热力学分析?郑荣进1 庄 麟1 池 清2 孙文君1 张安来3 傅莉霞1(1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院,杭州 310058;2.浙江东华规划建筑园林设计,杭州 310014;3.金华市农村新能源技术推广站,金华 321017)摘要:对甲鱼温室太阳能与地源热泵联合供暖系统的各组成设备进行能量平衡及热力学第二定律的分析,建立了能量利用质量模型?Exergy分析模型,通过可用能损失、可用能效率及可用能损失比等评价指标对系统的热力学性能进行分析和探讨。结果表明:地表水换热器的可用能效率最高,达到

9、92?0%;而太阳能集热器、热泵机组和储热水箱的可用能损失较大,可用能损失比达到 88?1%,不可逆性大,是系统优化的关键。试验期间水源热泵机组的制热性能系数达到 2?26。关键词:太阳能 地源热泵 水产养殖 热力学分析 可用能中图分类号:S951?5;TK523 文献标识码:A 文章编号:1000?1298(2021)04?0233?06ThermodynamicAnalysisofSolar?assistedGroundSourceHeatPumpSystemZhengRongjin1 ZhuangLin1 ChiQing2 SunWenjun1 ZhangAnlai3 FuLixia1(

10、1.SchoolofBiosystemsEngineeringandFoodScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2.ZhejiangDonghuaArchitecturalPlanningandDesignCo.,Ltd.,Hangzhou310014,China3.JinhuaRuralNewEnergyTechnologyExtentionStation,Jinhua321017,China)Abstract:Theenergyandexergyanalyticalmethodwasusedtoanalyzetheperforman

11、ceofsolar?assistedgroundsourceheatpump(GSHP)systeminstaledinabuildingforsoft?shelturtlecultureandrelatedExergyanalyticalmodelsweredeveloped.Theperformanceofthesystemwasevaluatedintermsofthethermodynamicparametersofexergydestructionrate,exergyeficiencyandexergeticfactor.Theresultsshowedthattheheatexc

12、hangerofsurfacewaterhadanexergyeficiencyof92?0%,higherthanotherpartsofthesystem.Theexergydestructionofsolarcolectors,heatpumpunitandthermalstoragetankwaslargeandexergeticfactorreachedto88?1%,whichhadahigherirreversibilityandwasthekeyofsystemoptimization.ThecoeficientofperformanceofGSHPunitreachedto2

13、?26.Keywords:Solarenergy Groundsourceheatpump Aquaculture Thermodynamicanalysis Exergey收稿日期:2021 04 13 修回日期:2021 04 26?国家科技重大专项资助项目(2021ZX07101 006)和浙江省重大科技专项资助项目(2021C01016 1) 引言工厂化甲鱼养殖技术是20世纪70年代兴起的先进养殖技术。甲鱼是一种变温动物,其最适宜的生长温度在 32左右。我国甲鱼产区大部分位于温带和亚热带地区,一年中除7、8月份以外的 10个月中,为了使养殖温室达到甲鱼最适宜的生长温度,必须为甲鱼养殖温

14、室供热加温。目前,锅炉供热是工厂化甲鱼养殖中普遍采用的供热加温方式。这种供热方式不仅要消耗大量常规能源,而且会对环境造成严重污染。因此,在农业生产领域,尤其是工厂化甲鱼养殖这类高能耗行业推广可再生能源的使用是十分必要的。太阳能与地源热泵联合供暖系统是以太阳能和地热能等可再生能源作为热泵热源的能源利用方式,太阳能与地热能的组合具有很好的互补性。太阳能的加入可以弥补热负荷需求大的时候地源热泵制热量不足、效率低的缺陷,地热能的加入可以克服太阳能受天气影响严重的缺点,使系统运行更稳定15。太阳能与地源热泵联合供暖系统作为新兴的可再生能源利用方式在居住建筑及工业领域供热工程中的应用趋于成熟,在农业生产中

15、的应用也逐渐得到推广68。目前,对太阳能与地源热泵联合供暖系统的主要评价参数为集热效率和热泵性能系数。然而,上述两个参数的定义均基于热力学第一定律,即能量平衡方程。该分析方法可以有效反映能源利用在数量上的变化,但不能反映系统能源利用质量的损失,即可用能变成废热的不可逆损失。本文以浙江大学农业生物环境工程研究所基于可再生能源供热的甲鱼养殖试验温室?太阳能与地源热泵联合供暖系统为研究对象,对该项技术在水产养殖温室冬季采暖中的运行效果、性能系数和热经济学性能进行相关分析和评价。运用基于热力学第二定律的 Exergy分析方法,得出系统能源利用质量上的损失9,明确可用能损失发生的具体位置及主要原因,以此

16、为依据对供暖系统进行优化10。1 系统描述1?1 试验装置甲鱼温室建于浙江大学农业生物环境工程研究所试验研究基地内,供暖面积为49?6m2。温室为全封闭不透光温室,采用高保温重围护结构,以维持室内温度在35。温室外墙厚500mm,采用夹心保温方式,内外叶墙体用 KPI型烧结多孔砖砌筑,保温材料为100mm厚膨胀聚苯板;温室屋面用 100mm厚膨胀聚苯板和50mm岩棉毡保温。图1为甲鱼温室太阳能与地源热泵联合供暖系统原理图。该系统主要由太阳能集热器、水源热泵机组、储热水箱、地表水换热器、室内散热器及循环水泵组成。太阳能集热器和地源热泵系统以并联的方式分别将收集到的太阳能和地表水中的低品位能量储存

17、在储热水箱中,通过室内散热器来加热温室内的空气,以满足供暖需要。由于集热器中的循环水并不直接进入水源热泵机组中的蒸发器,因此该系统为非直膨式太阳能地源热泵系统11。供暖系统中太阳能集热器采用全玻璃真空管,单支有效集热面积为 0?1015m2,总有效集热面积为25?056m2,集热器安装角度为 30。水源热泵为整体式机组,热泵输入功率为 4?7kW,额定制热量为12kW。地表水换热器采用闭式水平盘管形式,盘管总长 334m。水平盘管单位长度换热量设计值图 1 甲鱼温室太阳能与地源热泵联合供暖系统原理图Fig.1 Schematicdiagramofsolar?assistedgroundsour

18、ceheatpumpsystemforsoft?shelturtleculture1.太阳能集热器 2.储热水箱 3.水源热泵机组 4.废水池 5.地表水换热器 6.甲鱼温室 7.散热器 为30W/m。废水池面积为200m2,水深约为0?3m,水体静止,靠降雨补充。除上述主要设备的性能参数外,控制策略也是影响系统运行效果的重要因素。该系统的运行原则是优先利用太阳能,地源热泵系统作为辅助能源。太阳能集热器循环采用温差控制,即当集热器出口温度高于水箱下部温度 6时,开启集热器循环泵,直到温差小于 2;地源热泵系统则以水箱下部温度为控制依据,当其温度小于 45时,开启热泵,直到水箱下部温度高于50。

19、1?2 数据测量及采集为了对系统主要设备进行 Exergy分析,要采集设备进出口处工质的状态参数(质量流量、温度、压力)、设备从外界吸放的热量、外界对设备所作的功、室内环境温度及环境状态参数(太阳辐照度、环境温度、大气压力)等。因此,在图 1中所标出的节点 AJ处,通过预埋在管道中的 T型热电偶及压力表测量该点的水温及压力;安装在循环管路中的旋翼湿式水表测量循环水的体积流量;与设备连接的电子电能表则获得输入设备的电能大小;室内环境温度同样通过 T型热电偶进行测量。试验中所有的温度参数均由 JTRG 型建筑热工温度与热流自动检测仪采集,采样时间间隔为3min。试验所需的环境状态参数则由 PC 3

20、型移动式气象生态环境监测仪采集,采样间隔为 10min。试验所采集的是水平面上的太阳辐射量,在计算时换算为与集热器表面平行的平面上的太阳辐射量。2 热力学分析模型热力学第一定律(能量守恒方程)表达了能量转化中“量”的守恒性,如果要从能源 “质”的利用角度对系统进行评价,则需要通过热力学第二定律来揭示能量“质”的差异性12。Exergy分析方法中,可用能可视为能量中“量”和“质”统一部分的物理432 农 业 机 械 学 报 2021年量,它代表了热力系统在给定状态到与周围环境达到平衡的过程中可作的最大功。Exergy分析是热经济学发展的重要组成部分,其研究核心在于热力过程中不可避免的损失?不可逆

21、性,它意味着能量贬值和能源利用的浪费13。可用能效率越小的设备其节能性越差,因此尽可能地减少可用能损失是提高能源使用质量及效率的重要方法。对系统热力学分析基于下列假设:所有能量过程均视为静态恒定流,同时忽略过程中动能及势能的变化。设备从外界吸热及对外作功,方向规定为正。忽略管道连接处的压力损失。环境状态参数为:环境温度取集热器和热泵同时运行期间的室外气温平均值 288?90K,大气压力为 0?1MPa。根据上述假设,从能量平衡、热力学第二定律、可用能效率及可用能损失比等参数对甲鱼温室太阳能与地源热泵联合供暖系统进行热力学分析。2?1 集热效率及热泵性能系数在热力学第一定律为基础的热力学分析中,

22、对太阳能与地源热泵联合供暖系统的主要评价参数为太阳能集热器集热效率和热泵性能系数。集热效率是指集热器的有效集热量与入射在集热器表面的太阳辐照量的比值,计算式为14s=QsAcIT=mscp,w(T2-T1)AcIT(1)式中 Qs?集热器瞬时集热功率,kWms?集热器循环水的质量流量,kg/scp,w?水的质量比热容,kJ/(kg?K)Ac?集热器有效集热面积,m2IT?太阳总辐照度,kW/m2T1、T2?集热器进、出口温度,K热泵性能系数是热泵机组制热量与其消耗功率的比值。该参数是评价热泵节能性最重要的指标之一,计算式为15CH=QLWH=QLWC+WP(2)式中 QL?热泵负荷侧制热功率,

23、kWWH?热泵机组的输入电功率,kWWC?压缩机的输入电功率,kWWP?循环水泵的输入电功率,kW由于试验所用水源热泵采用整体式机组,故其功率包含了循环水泵的输入功率。2?2 可用能分析模型2?2?1 可用能损失根据热力学第二定律,输入系统或设备的可用能功率16为Ein= 1-T0T k Qk,in+ minin (3)式中 Qk,in?设备在 k节点处吸收的热功率,kWTk?设备在 k节点处的平均吸热温度,KT0?环境温度,Kmin?进入设备的水的质量流量,kg/sin?进入设备的水的比可用能,kJ/kg由设备输出的可用能功率为Eout=Wout+ moutout (4)式中 Wout?系统

24、对外界作功的功率,kWmout?流出设备的水的质量流量,kg/sout?流出设备的水的比可用能,kJ/kg可用能平衡方程为Ein-Eout=Ed (5)式中 Ed?可用能损失功率,kW比可用能为=h-h0-T0(s-s0) (6)式中 h?节点处水的比焓,kJ/kgh0?环境状态下水的比焓,kJ/kgs?节点处水的比熵,kJ/(kg?K)s0?环境状态下水的比熵,kJ/(kg?K)集热器表面太阳辐射可用能17为Esr=AcIT 1+ 13 T0T sr4-43T0T sr (7)式中 Tsr?太阳辐射温度,取6000K根据上述可用能分析方法,对系统主要设备进行分析,输入设备的可用能功率 Ein、输出设备的可用能功率 Eout及设备损失的可用能功率 Ed的计算方程如表 1所示。表中变量 m表示回路中水的质量流量,kg/s;W为输入电功率或设备对外作的功,kW;Q代表设备吸收或放出的热功率,kW。表 1中变量下标 s、L、ex、r、t、H、P1和P2分别代表集热器、热泵负荷侧、地表水换热器、室内散热器、储热水箱、水源热泵机组、循环水泵 1和循环水泵 2。2?2?2 可用能效率可用能效率是评价设备可用能使用情况及节能性的重要指标。可用能效率越高表明设备可用能损失越小,节能效果越好。目前,对可用能效率的定义尚未统一,主要有两种观点18:一种观