CN215452871U - 一种移动式光伏发电扬水蓄能车 - Google Patents

一种移动式光伏发电扬水蓄能车 Download PDF

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赵严初
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肖菊
孙润超
王光
张强
白玉红
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Abstract

本实用新型公开了一种光伏发电扬水蓄能车，属太阳能光伏发电领域。其包括太阳能光伏方阵、光伏水泵及其机泵逆变器、储能蓄电池组及其充放电控制器、可收拢展开光伏方阵支架及监测通讯负载等。光伏水泵逆变器通过MPPT跟踪控制器连接光伏方阵，输出端接水泵电机，充放电控制器分别与MPPT跟踪控制器蓄电池组和负载相连接，逆变器、控制器、电机水泵、开关箱和进出线缆等一体化组合配置，通过壳体结构与蓄电池组集成拼装于移动车车架上。本实用新型提出了一种光伏发电扬水与储电蓄能协同控制策略，实现光伏水泵扬水运行的同时蓄电池充电储能，有效利用了光伏方阵全天早中晚三时段的裕量电能为蓄电池组充电，提高了光伏发电能量利用率，满足不同用水地点扬水供电需要，而不占用固定安装场地，节约了资源。

Description

一种移动式光伏发电扬水蓄能车
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能光伏水泵***，特别是涉及一种移动式光伏水泵扬水储电蓄能车，属太阳能光伏发电技术领域。
背景技术
太阳能光伏发电技术目前得到了广泛应用。光伏水泵就是一种利用光伏发电技术将太阳能直接转换为电能，然后驱动电机带动水泵从深井或江河湖泊中实现提水的独立光伏***。光伏水泵***比常规动力水泵***具有一系列技术经济优势，在解决偏远无电缺水地区人畜饮水和农田灌溉用水方面，具有明显的经济社会和生态环境效益，得到了快速发展与产业化规模化推广应用。光伏水泵***通常由光伏方阵、光伏水泵逆变器、三相交流机泵以及储水装置等四部分组成。传统的光伏水泵***的光伏方阵多为固定安装形式，不仅占地面积大，地域限制强，且如若迁移常常会出现设备损坏报废等状况，致使整套***年利用率较低，经济效益不佳，影响其规模化推广应用。需要研发一种移动式光伏发电扬水蓄车，将发电、扬水、储电蓄能、监测协同控制，使得太阳能光伏方阵输出电能得以最优化利用。为偏远无电缺水地区人畜饮水和农田灌溉提供用水供电解决方案。
发明内容
针对目前技术状况，本实用新型提出了一种移动式光伏扬水蓄能车。实现光伏方阵可移动可收拢和展开、安装角度可调节，提高光伏水泵***利用率，节约占场地资源，实现光伏水泵扬水运行的同时蓄电池充电储能。
为实现本实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：
本实用新型所述移动式光伏扬水蓄能车，包括光伏组件、可收拢展开支架、MPPT跟踪控制器、DC/AC逆变器、水泵电机、充放电控制器与蓄电池组，组装于车体上。
所述的可收拢展开支架为框型结构，由沿横向多个框架单元折叠而成；可收拢展开的支架固定于车底盘上；所述可收拢展开支架的外框的上下框边分别连接万向滚珠连结器，通过万向滚珠连结器连结活动支腿；车底盘的底部设有活动拉杆。
所述光伏组件组成光伏方阵，每个光伏组件固定连接于框架单元的外框上。
所述DC/AC逆变器、MPPT跟踪控制器、水泵电机、充放电控制器一体化组合配置成控制箱，通过壳体结构与蓄电池组集成拼装固定于车体上。
所述MPPT跟踪控制器直流输入端接光伏组件的直流侧正负极，输出端一路接DC/AC逆变器输入端，另一路接充放电控制器，充放电控制器的输出端连接蓄电池，DC/AC逆变器的输出端连接水泵电机。
优选方案：
所述的可收拢展开支架框内沿纵向设置有等距的转动铰链螺栓组，且每相邻两个外框铰链安装位置为一侧沿上边沿竖向螺栓铰接，另一侧沿相对应的下边沿竖向螺栓铰接，以满足每块组件连接外框正反折叠收拢要求。
所述活动支腿采用伸缩结构，按21°、23°、25°、27°、30°、35°、 40°、45°八级光伏方阵采光倾角要求的预设高度调节顶杆螺丝，底端设置有抗风稳固底托。
优选采用4～6块光伏组件串联展开(即可成倍扩大光伏发电***容量)。
由于光伏组件固定于可收拢可展开的支架框上，能随着支架框收放自如，收拢后的多模块光伏组件竖向呈叠平状态，由车载拖动到工作目的地，工作时通过手动进行横向展开，伸展开后按安装倾角调节活动支腿顶杆支撑稳固，开启各控制开关即可进入发电扬水蓄电工作模态。
本实用新型所述的DC/AC三相逆变器包括开关电源部分，主电路及驱动电路，控制电路和保护电路等。
本实用新型所述的充放电控制器包括电压温度采样模块、控制环路、功率驱动模块以及DC/DC转换电路模块。
本实用新型适用于田间浇灌道路照明、监测网络通讯综合管理，有益效果如下：
(1)将光伏方阵支架设计为可移动可折叠形式，机动性大幅提高，可移动可收拢和展开，收拢后直接由拖车拖运，灵活地从一个地方移动到另一个地方，可驱动不同用水地点的水泵工作，解决多地用水、不同时段不同季节用水和防盗等问题，光伏水泵***利用率增加，可满足绿色环保与现代农业发展需要。
(2)按需要随时随地布放到不同用水地点而不占用固定安装场地，一机多用，大大提高了光伏水泵***的实用性，并提高了光伏水泵***利用率，节约资源。克服了现有的田间照明、作物信息监测等田间管理大多处于相互独立分散运行状态，不能适应现代农业的信息化综合用能发展需求的不足。
(3)实用性强，灵活性好，移动光伏扬水***功能模块化设计，运输时体积小、重量轻，到位时无需拼装，可快速展开、安全启动，安装使用简便。光伏方阵支架结构采光角度可调节，并实现光伏组件模块、控制***模块、水机模块及蓄电池储能模块等优化组合配置。
(4)光伏水泵逆变器与蓄电池高压充放电器协同控制，实现光伏水泵扬水运行的同时全晴天早中晚三时段裕量电能为蓄电池充电储能，使光伏发电***能量利用率得到提高，能量供给与需求适配性强，既能满足农田浇灌照明监测用电需求，为不同用户不同地块提供服务，还可扩展到野外发电、临时用电等应用场合，应用地域范围和使用范围广。
附图说明
图1为本实用新型蓄能车原理图；
图2为本实用新型三相交流逆变器主电路结构图；
图3为本实用新型交流异步电机驱动的光伏水泵调速控制原理图；
图4为本实用新型光伏发电***全晴天三时段扬水与充电蓄能原理图，图中，7：30—16：30为光伏水泵运行时段，阴影部分为可用于蓄电池充电蓄能的裕量电能；
图5为本实用新型YKN1KLF/24V-30A光伏高压充放电控制器结构图；
图6为本实用新型移动光伏发电扬水蓄能车结构图，其中，图a 为俯视图；图b为其左视结构示意图，1-牵引环，2-集成控制箱，3- 活动支腿，4-橡塑板，5-光伏组件，6-橡塑垫后挡板，7-车轮组，8- 减震板簧，9-移动车体；图c为其A向视图；
图7为本实用新型移动光伏发电扬水蓄能车展开示意图，其中， 10-活动拉杆，11-地脚，12-移动拖车车架，13-车底盘，14-转动铰链， 15-可收拢展开支架。
图8为本实用新型移动光伏发电扬水蓄能车收拢示意图。
具体实施方式
为对本实用新型进行更好说明，结合具体的优选实施方式，举实例说明如下：
实施例1
如图6-8所示，本实用新型所述移动式光伏扬水蓄能车为拖车，包括光伏组件(5)、可收拢展开支架(15)、集成控制箱(2)及移动拖车底盘(13)组件。
车头设有牵引环(1)，集成控制箱(2)位于车头，其由DC/AC 逆变器、MPPT跟踪控制器、水泵电机、充放电控制器一体化组合配置而成，通过壳体结构与蓄电池组集成拼装固定于移动车体(9)上。
所述的可收拢展开支架(15)为框型结构，由沿横向多个框架单元折叠而成；可收拢展开的支架(15)固定于车底盘(13)上；所述可收拢展开支架的外框的上下框边分别连接万向滚珠连结器，通过万向滚珠连结器连接活动支腿(3)；车底盘(13)的底部设有活动拉杆(10)。
所述光伏组件(5)组成光伏方阵，每个光伏组件固定连接于可收拢展开支架(15)框架单元的外框上。
所述的拖车车体外形尺寸2400mm(长)×1243mm(宽)×550mm (高)，车架材料为钢制方管焊接而成。采用两轮支撑结构，车轮组 (7)通过减震板簧(8)与拖车底盘(13)连接，拖车底盘通过牵引环搭载到人力或机动动力拖动。
所述的可收拢展开支架(15)的外框采用镀锌角钢焊接而成，外框尺寸符合光伏组件外形尺寸要求，支架框内沿纵向设置有等距的转动铰链(14)螺栓组，且每相邻两个外框铰链安装位置为一侧沿上边沿竖向螺栓铰接，另一侧沿相对应的下边沿竖向螺栓铰接。以满足每块光伏组件连接外框正反折叠收拢要求，依次连接，直到最后一块光伏组件连接完毕。
所述活动支腿(3)采用可调节高度的伸缩杆，由钢制圆管制成，并按21°、23°、25°、27°、30°、35°、40°、45°等8级光伏方阵采光倾角要求的预设高度调节顶杆螺丝，活动支腿上端与连接外框通过万向滚珠连接实现收放与支撑，底端设置有抗风稳固底托，具有足够的刚度、强度以抗风、抗雪等。
采用4块光伏组件串联展开(即可成倍扩大光伏发电***容量)。安装于连接外框内的光伏组件通过人工手动进行横向伸展，伸展开后按方阵发电模式运行。
所述的车架(12)上设置的挡板内侧和每二块组件层叠面上均放置橡塑垫板(4)、(6)，减震也避免组件表面划伤。
所述的光伏方阵支架(15)收拢时，手动从最远一端开始将2块光伏板外框收缩合拢并正面折叠，然后与相邻的下一块光伏板外框合拢并背面折叠，最后与第4块光伏板外框合拢并正面折叠；收拢后的多模块光伏组件竖向呈一层叠平状态，通过软索紧固在拖车架上，由车载拖动到工作目的地。伸展时，与收拢顺序相反，从最上层将组件连接外框向外方向拉开，同时放下前后活动支腿，按安装角度支撑稳固，开启各控制开关即可进入发电扬水工作模态。
光伏方阵吸收太阳辐射能量，将其转化为电能，为整个***提供动力电源，光伏水泵逆变器将光伏方阵输出的直流电转化为交流电并驱动电机水泵，并根据日照强度的变化实时检测直流侧电压电流，计算出光伏方阵输出功率进而调节输出电压和频率，完成实现MPPT 最大功率点跟踪，并实现诸如过压、过负荷、欠电、防打干及自启动等特殊保护功能。当光照较强时，***可以自动地利用光伏方阵的输出电能带动电机和水泵进行提水，当光伏方阵输出功率超出光伏水泵额定功率时或当阳光较弱时水泵无法启动扬水，***都将自动地转变为蓄电池组充电。同时，16位的SPMC75F2413A主控处理器通过检测回路实时采样电压电流温度值，计算判定光伏方阵输出MPPT工作状态与蓄电池组荷电状态，采用恒压限流并增大逐级限流方式，不断改变充电电流，使平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池组的最佳充电状态，实现蓄电池自平衡快速充电控制。用电时，充放电控制器控制蓄电池组放电，经配电线路供照明和监测通讯负载使用。太阳能光伏方阵所发电能采用扬水优先控制策略。
本实用新型所述的MPPT跟踪控制器直流输入端接光伏方阵的直流侧正负极，输出端一路接水泵逆变器输入端，另一路接蓄电池充放电控制器；
本实用新型上述光伏水泵DC/AC逆变器一端通过MPPT***连接光伏方阵直流侧正负极，输出端连接水泵电机；
本实用新型所述的DC/AC逆变器包括开关电源部分，主电路及驱动电路，控制电路和保护电路等。所述的开关电源由大容量的电解电容C作为储能元件直接跨接在方阵直流侧两端，当逆变电路关断时，太阳电池方阵向电容充电，当逆变电路导通时，电容和太阳电池方阵一同为负载供电。同时，在电机启动瞬间，储能电容能通过释放自身能量提供启动所需的大电流，起到一定的平波作用。所述的主电路拓扑由V1-V6功率开关管构成的三相全桥逆变电路组成，开关管两端并联具有续流作用的二极管。三相全桥逆变电路采用模块化器件 PS21865，PS21865智能功率模块化器件中将开关管、驱动电路和保护电路高度集成，内部集成了三相逆变桥和IGBT驱动电路、短路、过载保护、欠压保护等功能，故障信号由控制电路单片机读出。光伏方阵输出经储能电容后连接到PS21865引脚P(正极)和引脚N(负极)，作为DC/AC逆变输入电源。然后主控芯片SPMC75F2413A发出6路PWM脉冲信号直接驱动PS21865中三相全桥的6个开关管，并完成***过电流、过电压、欠压等保护措施。最后PS21865 输出三相对称交流电压，驱动电机转动。本实用新型所述的控制电路由主控芯片SPMC75F2413A通过处理SVPWM输入信号，由PWM 脉冲发生器组产生6路PWM波控制逆变桥开关管的开通与关断，实现电机的变频调速。并通过***直流电压电流采样电路实现MPPT 最大功率跟踪。所述的保护电路和***采样电路包括光伏方阵输出母线电压、电流检测电路，电机过载保护检测电路、IPM过温检测电路和(水塔、水井)水位检测电路等，以及数据记录时钟和基于S52 单片机的人机界面通信。
本实用新型所述的扬水优先与储电蓄能协同控制策略，采用光伏水泵逆变器与蓄电池高压光伏充放电器二者共用一个MPPT跟踪控制器，光伏水泵逆变器输入端和蓄电池高压光伏充放电控制器输入端分别连接MPPT控制器的输出端，逆变器输出端接水泵电机，充放电控制器输出端接蓄电池及负载。基于光伏水泵功率工作特性和扬水优先能量管理方案，由SPMC75F2413A主控处理器，根据日照强度的变化实时对光伏水泵逆变器与蓄电池高压充放电器联动控制。当阳光较弱时，也即太阳辐射强度小于“扬水阙值”，光伏方阵最大输出功率无法驱动水泵扬水，***将自动地转变为蓄电池组充电；当光照较强时，***可以自动地利用光伏方阵的输出电能带动电机和水泵进行提水，随着太阳光照强度的不断增加，当光伏方阵所发电功率为充电功率和水泵额定功率之和时，逆变器控制水泵以满负荷扬水，同时，高压充放电控制器协调控制为蓄电池组充电。其约束条件为，当蓄电池容量达到95％标称容量或者达到最大浮充电压时，停止充电，太阳能全部的发电功率用于光伏水泵扬水。无论水泵扬水运行还是蓄电池充电运行，SPMC75F2413A主控处理器都将通过检测回路实时采样直流侧电压电流温度，计算出光伏方阵输出功率进而调节输出电压和频率，实现MPPT最大功率点跟踪控制。
所述的蓄电池高压光伏充放电控制器，采用16位芯片构成能量管理、端电压检测和温度补偿功能，实时管理跟踪光伏电池最大功率点，智能化控制管理光伏发电功率向蓄电池和水泵的合理分配，管理蓄电池的充放电容量。
所述的蓄电池高压光伏充放电控制器包括电压温度采样模块、控制环路、功率驱动模块以及DC/DC转换电路模块；控制环路电路有三个控制环，分别由SPMC75F2413A主控处理器发出3路PWM信号直接驱动PS21865中3个开关管，第一路PWM信号控制控制器的最大输出功率跟踪，使光伏方阵此时输出工作在最大功率点；第二路PWM信号调节控制器对蓄电池组的充电状态，使其处于恒流或恒压限流或蓄电池自平衡快速充电耦合控制状态；第三路PWM信号用于蓄电池放电控制管理，为蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿；
上述第一路PWM脉冲电路的反馈端与光伏方阵MPPT跟踪控制器相连，产生的DC/DC转换电路输出MPPT脉宽调制信号接DC/DC 变换电路中的PS21865智能功率开关管VT1控制端；上述第二路PWM脉冲电路的反馈端分别与恒压***和逐级限流与自平衡快充电电流检测***相连，产生的DC/DC转换电路输出恒流或恒压限流或快速充电电流的脉宽调制信号接DC/DC转换电路的PS21865智能功率开关管VT2控制端，用于向蓄电池组耦合快速充电管理和过压保护；上述第三路PWM脉冲电路反馈端与蓄电池放电端相连，产生的DC/DC转换电路输出的放电电流和电压的脉宽调制信号接 DC/DC转换电路的PS21865智能功率开关管VT3控制端，用于放电管理单元向蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿。
所述的蓄电池自平衡快速充电方法：将光伏方阵的输出端正、负极通过控制器分别与蓄电池组的正、负极相连，把光伏方阵输出的直流电能转变为化学能储存起来；通过控制器对光伏方阵输出电能与蓄电池在当前充电条件下的充电所需能量值比较，在蓄电池低容量阶段，采用恒流和恒压限流充电方式；在蓄电池容量达75％后，且光伏方阵输出足够电量时，除采用恒压限流充电方式外，还通过控制器提高蓄电池充电接受比增大逐级限流充电电流，提高蓄电池充电速度，实现光伏方阵MPPT方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制。其控制电路结构设计通过加入大电流放电脉冲来提高充电能力；其次，依靠控制电路实时监测光伏***输出功率和蓄电池充电电流值，由微处理器实时比较蓄电池的最大可接受充电电流值，改变充电电流，使平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池的最佳充电状态。
实施例2
光伏组件选用目前市场常用多晶硅太阳能电池组件，规格230W/30V，峰值功率230W，最大功率点电压30V，最大功率点电流 7.67A，外形尺寸1670mm(长)×990mm(宽)×45mm(高)，净重21.5kg，数量4块，总标称功率1.84kW。每块光伏组件置于钢制连接外框内通过轴销稳固安装，光伏方阵呈正南朝向安装倾角37°；
光伏水泵采用SJ5-12不锈钢高效三相潜水型，电机功率1.1kW，自动变频，三相220V，出水量范围3～5m3/h；逆变器YKN1K1L，最大电机输出功率1.1kW，三相输出端电压交流220V，最大逆变效率97％，输出频率范围0—50Hz，MPPT电压范围150～400VDC；现场实测扬水高程24.8m。蓄电池高压充放电控制器 YKN1KLF/24V-30A，最大充电功率800W，直流电压工作范围500 —800VDC，最大充电电流30A，恒压充电点27V，最大充电效率≥90％；储能太阳能专用胶体蓄电池6-CNF-200，2组×12V200Ah。
某日晴天，通过对太阳辐射强度和输出功率与光伏水泵扬水量、***扬水效率特性及蓄电池储电量占比等进行测试试验，结果表明，定扬程下，光伏水泵全天扬水量随日照时间的延长而增大，太阳平均辐照功率533.4W，日出水量达13.1m3，平均每小时出水1.93m3/h；***最大扬水效率12.7％，平均扬水效率11.1％；同时，全天三时段蓄电池充电储能0.47kWh，约占光伏方阵全天发电量8.4kWh的5.6％左右。高压充放电控制器充电电路电压降≤1.2V；具有蓄电池过充保护功能，当蓄电池组电压29.76±0.6V时，控制器自动断开充电回路；当蓄电池组电压27V时，控制器恢复充电。
实施例3
选用光伏组件规格290W/31.8V，峰值功率290W，最大功率点电压31.8V，最大功率点电流9.12A，外形尺寸1697mm(长)×1003mm (宽)×35mm(高)，净重19.5kg，数量6块，总标称功率2.32kW。每块光伏组件置于钢制连接外框内通过轴销稳固安装，光伏方阵呈正南朝向安装倾角27°；
光伏水泵电机、三相逆变器、高压充放电控制器、蓄电池组等同实例1，在此不再赘述；现场扬水高程14.2m。
某日晴天，通过对太阳辐射强度和输出功率与光伏水泵扬水量、***扬水效率特性及蓄电池储电量占比等进行测试试验，结果表明，定扬程下，光伏水泵全天扬水量随日照时间的延长而增大，太阳平均辐照功率358.1W，日出水量达13.9m3，平均每小时出水1.82m3/h；***最大扬水效率9.5％，平均扬水效率8.0％；同时，全天三时段蓄电池充电储能1.01kWh，约占光伏方阵全天发电量10.3kWh的9.72％左右。高压充放电控制器充电电路电压降≤1.2V；具有蓄电池过充保护功能，当蓄电池组电压29.76±0.6V时，控制器自动断开充电回路；当蓄电池组电压27V时，控制器恢复充电。
本实用新型的实施，可依不同地区的水位、水量需求，设计光伏水泵的出水量、扬程以及水泵电机启动电流，将光伏组件容量控制在 1～10kW。在需扬水浇灌时段，***所产生的电力全部用于水泵电机抽水，非扬水浇灌时段的发电量用于储电蓄能，满足不同用水地点扬水及道路照明与田间作物生长监测通讯供电需要，使得光伏方阵输出电能得以最优化利用。
本实用新型可以实现光伏水泵扬水运行的同时全晴天早中晚三时段蓄电池充电储能管理，有效利用光伏方阵裕量电能为蓄电池组充电，再用于监测通讯和照明等，光伏发电***能量利用率得到提高。
本实用新型***整体模块化，可收拢可移动，根据需求随时更换布放地点而不占用固定安装场地，扩展了***的应用地域范围和使用范围，提高光伏发电***的利用率，增大了投资收益。

Claims (3)

1.一种移动式光伏发电扬水蓄能车，包括车体、光伏组件、可收拢展开支架、MPPT 跟踪控制器、DC/AC逆变器、水泵电机、充放电控制器与蓄电池组，组装于车体上，其特征在于，所述的可收拢展开支架为框型结构，由沿横向多个框架单元折叠而成；可收拢展开的支架固定于车底盘上；所述可收拢展开支架的外框的上下框边分别连接万向滚珠连接器，通过万向滚珠连结器连接活动支腿；车底盘的底部设有活动拉杆；
所述光伏组件组成光伏方阵，每个光伏组件固定连接于可收拢展开支架框架单元的外框上；
所述DC/AC逆变器、MPPT 跟踪控制器、水泵电机、充放电控制器一体化组合配置成控制箱，通过壳体结构与蓄电池组集成拼装固定于车体上；
所述MPPT 跟踪控制器直流输入端接光伏组件的直流侧正负极，输出端一路接DC/AC逆变器输入端，另一路接充放电控制器，充放电控制器的输出端连接蓄电池，DC/AC逆变器的输出端连接水泵电机。
2.如权利要求1所述的移动式光伏发电扬水蓄能车，其特征在于，所述的可收拢展开支架框内沿纵向设置有等距的转动铰链螺栓组，且每相邻两个外框铰链安装位置为一侧沿上边沿竖向螺栓铰接，另一侧沿相对应的下边沿竖向螺栓铰接。
3.如权利要求1或2所述的移动式光伏发电扬水蓄能车，其特征在于，所述活动支腿采用伸缩结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113765204A (zh) * 2021-09-03 2021-12-07 河南省科学院能源研究所有限公司 一种移动式光伏发电扬水蓄能监测***
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