太阳能光伏发电移动变电站综合应用系统

太阳能光伏发电移动变电站综合应用系统

董强

山东东山新驿煤矿有限公司山东济宁272100

摘要：本文介绍太阳能光伏移动变电站综合应用供电系统，直接用光伏阵列直接带动水泵，直接用光伏阵列逆变成正弦交流电AC220V带动水泵或者供小型家用电气设备两种供电方式以及介绍光伏水泵系统的发展情况。

关键词：移动变电站；光伏水泵；照明发电；太阳能

1.使用背景

兖州煤田是全国八大煤炭基地之一，探明储量200多亿吨，有特大型现代化矿井6对，年开采量3500多万吨。煤质为低磷、低硫、低灰份、高发热值的优质气煤和炼焦配煤，也可作为动力煤。2008年10月，山东省地矿局物化探勘查院在济宁新发现一处特大型铁矿，其中颜店矿段资源量达10亿吨，潜在经济价值达1500亿元。给地方带来经济增长的同时也带来了弊端。

2.概述

2.1光伏移动变电站是利用太阳能电池将太阳能直接转换成电能，分两种输出方式：

第一种供电方式：太阳能电池直接输出0v----41v直流电压然后通过控制器驱动电机带动水泵从机井中抽水。第二种供电方式：太阳能电池供给直流升压设备，通过宽电压输入12v----50v输出为标准的48v电压，给蓄电池充电的同时逆变成AC220v供给交流1.5kw/220v潜水泵抽水，或者晚上用来照明、电视、手机充电等小设备供电。此光伏移动发电变电站便于运输、现场便于安装采用插拔安装件。小功率供水浇地农田灌溉用便携式手提太阳能板。大功率农田灌溉用农业三轮、或者专门制作的小车运输。

2.2系统的基本构成

光伏水泵及照明综合应用系统构成原理框图

如图、系统由光伏阵列、MPPT控制器、MPPT太阳能升压控制器、DC/AC逆变器、潜水泵、和蓄电池组组成。当光照较强时，系统可以自动地利用光伏阵列的输出电能带动潜水泵进行抽水。当阳光较弱时，系统将自动地转变为蓄电池组充电，供交流负载系统使用。

光伏水泵和照明系统构成原理示意

2.2.1光伏阵列光伏阵列由众多的太阳能电池串、并联构成。太阳电池有时也常被称作太阳能电池，通常是由半导体材料制成。其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。

3技术原理

3.1MPPT：MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”（MaximumPowerPointTracking）太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值（VI），使系统以最高的效率对蓄电池充电。下面我们用一种机械模拟对比的方式来向大家解释MPPT太阳能控制器的基本原理。

要想给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。这样设定的原因，（有意思的是，不同于我们普通人的主观想象，下面的结论可能会让我们吃惊）在于当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V。

现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，这就像车的档位被固定设置在了1档。那么不管你怎样用力的踩油门，车的速度也是有限的。MPPT控制器就不同了，它是自动挡的。它会根据发动机的转速自动调节档位，始终让汽车在最合理的效率水平运行。就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。

太阳能电池组件的性能可以用U-I曲线来表示。电池组件的瞬时输出功率（U*I）就在这条U-I曲线上移动。电池组件的输出要受到外电路的影响。最大功率跟踪技术就是利用电力电子器件配合适当的软件，使电池组件始终输出最大功率。

如果没有最大功率跟踪技术，电池组件的输出功率就不能够在任何情况下都达到最佳（大）值，这样就降低了太阳能电池组件的利用率。光伏阵列的输出伏—安特性曲线具有强烈的非线性，而且和太阳能辐射强度、环境温度、阴雨、雾等气象条件有密切关系。其输出为随日照而变化的直流电量，而作为光伏阵列负载的光伏水泵，它的驱动电机有时是直流电机，有时是交流电机，甚至还有其它新型电机。它们同样具有非线性性质。要使光伏水泵系统工作有比较理想的工况，而且对任何日照，都要发挥在当前日照下光伏阵列输出功率的最大潜力，这就要有一个适配器，使电源和负载之间能达到和谐、高效、稳定的工作状态。MPPT通常有两种形式，即恒电压最大功率点跟踪器（CTV式MPPT）和真正MPPT。

光伏移动变电站系统的一切措施既是为了能稳定可靠地利用光伏阵列直接带动水泵多出水，又要转变成正弦交流给负载供电，它们往往构成一个总成件，这个总成件要求有最大限度的可靠性和高效率。主要是：变频运行，负载早晚变化较大，在这种情况下要力争使电动机全日、全年的总平均率最高，它不像普通电动机一直处于具有恒定电压的电源带动下工作。对于转变成交流负载而言要有正弦交流输出具备带起紧密电子交流设备的能力。

3.2储能系统是由天以内控制器和蓄电池组构成。当太阳能光照强度减少到一定强度时，光伏阵列的最大输出功率已经无法继续直接驱动水泵抽水，主控制器将检测到的控制信号输给太阳能电控制器，从而对蓄电池组进行充电。

3.3应用实例2018年5月6月，由新驿煤矿董强大师工作室实验室研制的太阳能光伏移动变电站综合应用系统，安装新驿水池中供矸石山进行洒水降尘。

4.推广应用前景

目前，全国仍有17个无电县，7600多万无电人口。多分散居住在边远落后贫困地区。由于能源短缺，至今连饮水以及灌溉问题都还没有彻底解决，特别是西北地区，由于气候干旱，少雨，年平均降水量约145mm，可视为极端干旱和半干旱地区，土地荒漠化，草原退化情况越来越严重，生态环境日益恶化，严重阻碍着农村经济和社会的发展。然而，西北地区地下水资源并不贫乏，目前这些地区地下水资源利用率并不高，其原因之一是缺乏电力供应，若靠架设输电线，投资巨大（新疆地区架设输电线平均每公里需投资8万元），但效益甚微，得不偿失。而西北地区的太阳能辐射强，日照时间长，太阳能资源非常丰富，因此，只有利用太阳能光伏水泵系统才能开发地下水资源，解决这些贫困地区的饮水和农牧业用水。太阳能光伏水泵的应用领域非常广泛，国内潜在市场需求巨大，大规模发展和应用太阳能光伏水泵系统具有经济、社会、生态环境等多方面的重要意义，也将大大促进我国太阳能工业的发展。