大學(xué)生創(chuàng)新項目研究報告 無人值守式太陽能水泵

大學(xué)生創(chuàng)新項目研究報告項目名稱：無人值守式太陽能水泵項目類型：項目年度：項目負(fù)責(zé)人：負(fù)責(zé)人院（系）：機械交通學(xué)院專業(yè)（方向）：交通運輸項目組成員：指導(dǎo)教師：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制摘要無人值守式太陽能水泵系統(tǒng)是一套全自動提水系統(tǒng)，它將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動各類電動機帶動各類高效節(jié)能水泵運行從而在深井河湖等水源提水，是一套全機械化的蓄水系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，跟據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況，確定水資源充足的保有量。它既可提供潔凈的人畜飲水，又可根據(jù)植被根系含水量，判斷其土壤層濕度自動進行澆灌。整套系統(tǒng)具有無噪聲、全自動、高可靠、低消耗、高效能、免維護、供水量與蒸發(fā)量適配性好的特點。研究目的在于大力推廣此項汲水系統(tǒng)，減少化石燃料的使用，減少有害物排放；機械智能化，完全解放勞動力，讓每個人都有能力去更加方便的提取及使用水資源。本文主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下：（1）太陽能水泵系統(tǒng)研究的目的和意義（2）講述光伏水泵的基本構(gòu)造及原理（3）光伏水泵的設(shè)計方案，基本性能參數(shù)，創(chuàng)新點?！娟P(guān)鍵詞】：太陽能水泵自動免維護性能參數(shù)

目錄摘要1引言41.研究過程51.1組織研究過程51.1.1本項目研究的主要內(nèi)容51.1.2項目成果61.1.3過程管理61.1.4問題分析61.2研究方法的選擇和使用72.研究的實施82.1控制器的選取82.2低日照保護82.3蓄電池的選取83.無人值守式光伏水泵系統(tǒng)84.項目優(yōu)點與創(chuàng)新125.結(jié)論13參考文獻14引言雖然我國地大物博，物產(chǎn)豐富，但是還有很多土地不能被直接有效合理的利用，如植被稀少的荒漠地區(qū)。與此同時由于人為破壞和不合理開發(fā)活動，使本來就很脆弱的生態(tài)環(huán)境日益惡化，水上流失、森林減少、土地沙化、鹽堿化、荒漠化、等生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降，沙塵暴增多。惡化的生態(tài)環(huán)境迫使世各國開始積極尋找一條新的可持續(xù)發(fā)展的能源之路。太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿惹鍧嵞茉匆阎饾u受到了人類的重視，而這其中，太陽能無疑處于最突出的地位。在我國大西北、西藏和內(nèi)蒙古等遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，很多人喝不到干凈的飲用水，在可利用草地面積中，有30％因為缺乏人畜飲水而未能利用。而這些地區(qū)同時又是太陽能資源非常豐富的地區(qū)，因此，在這些地區(qū)發(fā)展太陽能水泵技術(shù)對合理開發(fā)水、土等資源，建設(shè)綠色大西北，解決這些貧困地區(qū)的飲用水和農(nóng)牧業(yè)用水具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。聯(lián)合國計劃開發(fā)署、世界銀行、亞太經(jīng)社會等國際組織都先后充分肯定了它的先進性與合理性。目前在這些國際組織的支持下，全世界已有數(shù)萬臺不同規(guī)格的太陽能水泵在不同地區(qū)和國家運行，特別是在亞、非、拉及中東等發(fā)展中國家，已為許多貧困地區(qū)的人民帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益，加速這些地區(qū)的發(fā)展步伐。作為新時期的大學(xué)生，我們也將投身于經(jīng)濟環(huán)保的發(fā)展大軍中，利用太陽能綠色，無污染、無需包裝運輸、取之不盡、用之不竭的特點，對此進行研究，提出了太陽能水泵系統(tǒng)。太陽能水泵也稱光伏水泵，是當(dāng)今世界上陽光豐富地區(qū)，尤其是缺電無電的邊遠(yuǎn)地區(qū)最具吸引力的供水方式，也是近若干年來迅速發(fā)展起來的光機電一體化系統(tǒng)，它利用太陽電池板轉(zhuǎn)化的電力，通過最大功率點跟蹤以及變換、控制等裝置驅(qū)動直流、永磁、無刷、無位置傳感器、定轉(zhuǎn)子雙塑封電機或高效異步電機或高速開關(guān)磁阻電機帶動高效水泵，將水從地表深處提至地面供農(nóng)田灌溉或人畜飲用。利用隨處可取的太陽能，全自動工作，日出而作，日落而歇，無需人員看管，維護工作量可降至最低。不需要柴油、電網(wǎng)，后接蓄水系統(tǒng)，與各種灌溉設(shè)施配套應(yīng)用，可廣泛用于無電地區(qū)的人蓄用水以及邊防、海島哨所等高度分散點的用水，是理想的集經(jīng)濟性、可靠性和環(huán)保效益為一體的綠色能源系統(tǒng)，是全球能源問題解決方案的首選技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品。太陽能水泵系統(tǒng)從設(shè)計到制造涉及電氣、機械、電力電子、計算機、控制等多個學(xué)科的近代技術(shù)，為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、節(jié)能、環(huán)保等提供了極其良好的手段。本系統(tǒng)具有良好的長效經(jīng)濟性，特別是和常見的柴油機抽水相比較，具有壓倒的經(jīng)濟性優(yōu)勢。發(fā)展這種新型環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品無疑將會對發(fā)展產(chǎn)業(yè)、發(fā)展經(jīng)濟，特別是發(fā)展干旱地區(qū)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益，它特別符合建設(shè)“資源節(jié)約型”及“環(huán)境友好型”社會的發(fā)展戰(zhàn)略。研究過程組織研究過程本項目研究的主要內(nèi)容此項目主要研究新能源太陽能技術(shù)與傳統(tǒng)汲水技術(shù)的結(jié)合，包括以下幾個方面：太陽能采集系統(tǒng)的設(shè)計控制器設(shè)計3.供電系統(tǒng)電路設(shè)計4.整體及電路設(shè)計1.1.2項目成果經(jīng)過導(dǎo)師及小組成員的共同努力，“無人值守式太陽能水泵”項目已經(jīng)成功完成理論階段并投入實體模型建設(shè)。在此期間，小組成員明確了項目內(nèi)容、目標(biāo)和方向，并且理論聯(lián)系實際，完成結(jié)構(gòu)圖一份，并成功制造出無人值守式太陽能水泵系統(tǒng)模型一個。現(xiàn)實中因為實際操作時環(huán)境的限制，我們暫時采用蓄電池來代替太陽能電池板所提供的電能，利用它的電能直接驅(qū)動水泵從模型湖河中提取水資源儲存到模型水箱中，利用控制器控制水泵工作，實現(xiàn)設(shè)計中的水位自控功能；根據(jù)不同地區(qū)日出日落光照的變化規(guī)律，使控制器控制步進電機在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)動相應(yīng)角度，獲得最大光照，實現(xiàn)設(shè)計中的自主追日功能；在最后系統(tǒng)的應(yīng)用方面我們加入了自動灌溉裝置，采用土壤濕度傳感器檢測土壤層的含水量，當(dāng)含水量過少時系統(tǒng)就會實行自動灌溉功能。與此同時，由于一些因素的限制，現(xiàn)有系統(tǒng)還不能完全符合我們理想的模型。每當(dāng)太陽落山，在太陽能電池板在完成一天的工作之后應(yīng)該回到最初所設(shè)定的位置，為第二天的工作做好準(zhǔn)備，實現(xiàn)夜晚自動回位功能。在實際的模型建設(shè)中，由于其難度系數(shù)我們未能完成這一點。1.1.3過程管理小組成員隔周召開例會，討論檢查課題研究進度并且評估課題研究目標(biāo)和各項任務(wù)的研究情況。項目進行期間，組長帶領(lǐng)小組成員面見項目主要指導(dǎo)教師，進行深度交流整理研究成果，完善太陽能水泵的研究和管理。隨著通訊軟件的廣泛運用，小組帶頭人也建立了QQ群以便小組成員之間隨時隨地的交流與溝通。1.1.4問題分析在這個高速發(fā)展的科技時代利用好太陽能是一個非常重要的戰(zhàn)略措施，它能夠隨取隨用，不限時間地點。但是目前太陽能的利用還不是很普及，利用其發(fā)電還存在成本高、效率低的問題，光電、光熱、光化學(xué)是最直接利用太陽能的有效途徑。所以在設(shè)計中應(yīng)充分考慮太陽能水泵的性能參數(shù)如揚程、流量的設(shè)計；光伏水泵的設(shè)計方案，包括日照數(shù)據(jù)處理、光伏組件的特性分析計算、電流電壓的大小確定等。在設(shè)計一個光伏水泵系統(tǒng)時有兩個很重要的原則，一是選用最合適的系統(tǒng)配件，二是系統(tǒng)配件間達(dá)到最佳匹配。項目進行過程中我們要解決的主要重點和難點問題有以下三個：1.怎樣最大限度的利用太陽能；2.如何實現(xiàn)利用太陽能汲水系統(tǒng)的自動化運行；3.如何提高整套系統(tǒng)工作的持久性與可靠性。研究方法的選擇和使用我們小組成員主要利用現(xiàn)代發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)科技，在課余時間通過一些網(wǎng)頁和論壇進行篩選并且收集我們所需要的基本資料；還通過圖書館這個巨大的資源庫，查詢一些文獻和資料從而獲取可靠的數(shù)據(jù)；老師和相關(guān)研究人員也是為我們提供數(shù)據(jù)的主要來源；最后實施階段通過模型具體的實驗從而分析得到真實精確的信息。研究的實施2.1控制器的選取控制器根據(jù)負(fù)載電源需求控制太陽能光伏板對其進行電能輸出，控制器是整個系統(tǒng)的核心控制部分。要求：所選控制器與系統(tǒng)的理論電壓電流相匹配，如額定電流，額定電壓，太陽能電池板功率，使用地區(qū)海拔高度和所在地緯度等；控制器應(yīng)具有過壓保護，欠壓保護，輸出過載保護和輸出短路保護等功能。2.2低日照保護無人值守式太陽能水泵系統(tǒng)中，由于天氣陰晴不定等原因會造成日照強度的降低，此時太陽能光伏板的輸出功率變得很小，會造成水泵電機的轉(zhuǎn)速下降，造成太陽能水泵系統(tǒng)無法進行正常的工作，所以必須設(shè)置低日照保護維持太陽能水泵系統(tǒng)在低日照下同樣能進行正常工作。2.3蓄電池的選取蓄電池的主要任務(wù)是在太陽能輻射量不足時，保證系統(tǒng)負(fù)載的正常使用，因此蓄電池的容量要根據(jù)實際的需求來進行選擇，它的電壓和負(fù)載的工作電壓相匹配。要求使用壽命強、少維護、和放電能力強；工作溫度范圍寬；自放電率低、充電效率高。3無人值守太陽能水泵系統(tǒng)太陽能水泵亦稱光伏水泵，主要有光伏陣列、控制器、電機、太陽能水泵和后續(xù)自動灌溉系統(tǒng)五部分組成。系統(tǒng)總體是以光伏板為主要外部轉(zhuǎn)換元件、以控制器為控制裝置規(guī)律驅(qū)動步進電機和水泵、最終由蓄水裝置儲能并反饋的實時供水系統(tǒng)。光伏水泵系統(tǒng)示意圖1）光伏陣列光伏陣列由許多太陽能電池板串并聯(lián)構(gòu)成，直接把太陽能轉(zhuǎn)化為直流電。目前太陽能水泵系統(tǒng)的電池都為硅太陽電池，其中包括單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽電池。太陽電池的伏安特性曲線具有強烈的非線性。太陽能電池板的最大輸出功率就是它的額定功率。光伏板總成由12塊或更多塊小型光伏板通過支架連接而成。電力足以保證水泵的正常工作。如果受環(huán)境條件的限制可以方便拆卸多余的光伏板，以滿足場地需求。光線落在與水平面成一定角度的斜面上2)控制器太陽能電池板陣列的伏安特性曲線和太陽光照強度、環(huán)境溫度、陰晴雨霧等氣象條件密切相關(guān)。相對于某一個固定地點的太陽能水泵系統(tǒng)，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太陽的光照角度時時刻刻都在變化，如果太陽能電池板能夠時刻正對太陽，發(fā)電效率才會達(dá)到最佳狀態(tài)。世界上通用的太陽跟蹤控制系統(tǒng)都需要根據(jù)安放點的經(jīng)緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟件中，也就是靠計算太陽位置以實現(xiàn)跟蹤?？刂破髦饕凶畲蠊β孰姍C保護裝置等構(gòu)成，主要有三大部分：一是主控制器，用于分配光伏板所產(chǎn)生的電能，一部分供蓄電池充電，另一部分為后續(xù)用電設(shè)備供電；二是其他分控制器，（1）水位控制器；（2）低壓保護控制器；根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場合不同，系統(tǒng)還有附加控制模塊。例如：自動灌溉控制器。此外還有控制步進電機的控制器，在其作用下，在不同時刻光伏板的傾斜度不同，以滿足系統(tǒng)接受最大光照需求，工作特性穩(wěn)定。電流電壓曲線對應(yīng)每日日照數(shù)據(jù)3）電機由于電機的功率等級，電壓等級在很大程度上感受到太陽電池陣列的電壓等級和功率等級的制約，所以太陽能水泵的要求被反映到電機上時必須在兼顧陣列結(jié)構(gòu)的條件下去選擇。與太陽能水泵相匹配的驅(qū)動電機類型有：直流電動機、直流無刷永磁電動機、三相異步電動機、永磁同步電動機、磁阻電動機等。目前用的最多的是三相異步電動機和直流無刷電動機。在系統(tǒng)匹配時應(yīng)考慮到太陽能水泵系統(tǒng)變頻運行，負(fù)載率早晚變化較大的特點，使電動機總平均效率達(dá)到最高。步進電機的工作電源主要由蓄電池提供，當(dāng)日照充足時由太陽能電池板代為提供。我們采用電機、水泵一體化，電機用直流電源進行工作，潛入水中運行，具有高揚程，安全可靠的特性。結(jié)構(gòu)簡單,機組效率高,噪音小,安裝方便，免維修。太陽能水泵光伏水泵的分類5）自動灌溉系統(tǒng)系統(tǒng)采用主要的灌溉形式為滴灌，除主管道外，其他管道均埋于土壤表層合適深度以下，能在滿足有效灌溉的前提下，減少水的用量。滴灌管道及相關(guān)元件的分布情況：主管道置于地表，支管連接毛管，而毛管則穿插在植株根系附近。濕度傳感器埋于土壤合適深度，檢測土壤的含水量情況。埋于土壤中的濕度傳感器可以隨時檢測預(yù)定土層的土壤水分含量，當(dāng)水分含量低于預(yù)定值時整個系統(tǒng)便會啟動，控制模塊將位于水箱出口處的電磁閥開啟，水從毛管的出水口滲出，為該片區(qū)域進行灌溉；當(dāng)土壤濕度達(dá)到預(yù)定值后控制器停止灌溉動作，實現(xiàn)對農(nóng)作物的自動灌溉。4項目優(yōu)點與創(chuàng)新隨日系統(tǒng)步進電機在控制器的作用下順應(yīng)當(dāng)?shù)馗鲿r刻最大光照規(guī)律、以固定的時間間隔轉(zhuǎn)動一定的角度，以此調(diào)整光伏板與太陽的相對位置，從而實現(xiàn)電池板的轉(zhuǎn)動并保證光伏板接受最大光照,這樣可以避免惡劣天氣對光伏板轉(zhuǎn)動的影響。隨動主軸通過步進電機帶動旋轉(zhuǎn)，從而帶動整個光伏板運動實現(xiàn)自主追日的功能。二、水位自控水位監(jiān)測傳感器配合水位控制器能起到隨時監(jiān)控蓄水箱的水位：蓄水池高水位時泵水系統(tǒng)自動休眠，低水位時系統(tǒng)自動重啟，實現(xiàn)水位自動控制。適應(yīng)性強應(yīng)用這一設(shè)備可以在沙漠中大面積植樹造林，大大提高造林成活率；2)用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)如高原、海島站點、農(nóng)牧民牧區(qū)、邊防哨所、自然保護區(qū)等電力設(shè)備不完善或無電地區(qū)高度分散點軍民生活用水；3)解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉;4)還可用于居民區(qū),隨時為其儲備充足的生活用水。5結(jié)論近年來，隨著全球“糧食問題”、“能源問題”的嚴(yán)重性不斷提升，太陽能水泵逐步被譽為解決有效耕地提高產(chǎn)量和用清潔能源替代化石能源的最為有效的產(chǎn)業(yè)整合產(chǎn)品。成為把太陽能產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展的新興經(jīng)濟模式。無人值守式太陽能水泵利用太陽能，在無需任何外來能源的情況下可以機動靈活地用于農(nóng)田灌溉、沙漠綠地開發(fā)、提供潔凈人畜飲水、發(fā)展庭院經(jīng)濟、美化園區(qū)、海濱鹽場供排水等。太陽能水泵系統(tǒng)的應(yīng)用不需要蓄電池，通過使用太陽能電池板來代替普通的柴油機水泵，節(jié)省了電池更換的費用，減少了電池對環(huán)境造成的污染，作為一個剛剛嶄露頭角的產(chǎn)業(yè)，十分符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。通過應(yīng)用無人值守式太陽能水泵系統(tǒng)能夠解決牧民群眾的人畜飲水及草原灌溉問題，它是綠色環(huán)保型供水裝置，