摘要：科学技术水平的提升带动了人们对于可再生能源的应用,使得太阳能光伏发电受到广泛关注。因此，本文主要对全自动光伏水泵系统的设计研究进行分析，希望能提高光伏水泵的输出水量。
关键词：全自动；光伏水泵系统；设计；自动控制
引言
光伏水泵是将太阳能直接转化成电能，从而带动水泵工作，光伏水泵在整个工作过程中不消耗其他能源，是绿色环保的高新科技，应用前景非常广泛。现阶段，由于光伏发电技术的快速发展，光伏水泵系统也得到了充分的改进与应用，并且已经大规模投入阶段的生产与生活中，有效解决了水资源贫困地区的灌溉、饮水等问题。为了进一步提高光伏水泵系统的应用效果，应充分利用现代自动化技术对该系统进行升级，利用二维追日设备，进一步提升发电量，并结合自动控制系统和小容量的蓄电池有效解决太阳光照射强度不断变化带来的供水量降低等问题，从而确保水泵系统能够长时间、稳定地供水，并提高水泵系统的出水量。
1光伏水泵的重要性
光伏水泵系统结构简单，维护方便，使用寿命长，平均使用寿命为20年以上，以全国辐照度平均值为参考，假设采用功率为3kW水泵从深井中抽水20年为例，根据现在光伏水泵系统市场价格，整套系统大约为10万元，使用费用为0元，维护费用几乎为0元。若同功率水泵使用市电运转，20年所耗电量约为16万度，电费按0.6元/度来计算，为9.6万元，与光伏水泵的投入几乎一样。而且我国地形复杂，使用到光伏水泵进行抽水灌溉的地区一般为偏远地区甚至是山区，这些地方远离城市，供电不易，使用成本远远高于城市。若以1元/度来计算，则20年的电费为16万元，远远高于光伏水泵的投入。如果使用柴油发电机进行供电，我们将油费代入计算，同时考虑偏远地方的运输费用等等，成本会更高。综合计算，从短期来看，光伏水泵前期投入资金大，但是从长期来看，光伏水泵其实是最实惠、最明智的投入[1]。而且随着科技的不断进步，光伏系统的使用寿命也越来越长，总体来说光伏水泵系统从经济效益来看比其他方法更加的实惠。此外，随着社会的不断发展和人类各种需求的不断膨胀，一系列的不合理和过度的开发都使得我们周边的生态环境越来越恶劣，森林面积较少，水土流失，土地荒漠化、沙化日益严重，居住环境越来越恶劣。合理使用光伏水泵结合滴管、微灌系统，在很大程度上能节水并为农作物、植物提供源源不断的水源，我们可以把这些技术运用到大西北以及沙漠地带植树造林中，这对改善西北乃至全国的生态环境都有极其重要的意义。同时，光伏水泵系统在使用中只是利用了大自然的太阳能，而没有消耗其他能源，并且在整个使用过程中没有任何的有毒气体和污染物的排放，对环境没有任何的影响，是绿色环保的高新技术。若改用其他方法供电，根据每发3度电需要消耗煤1千克，产生2.5千克碳排放的标准，10年所需9万度电，则总消耗30吨煤，产生75吨碳排放。由此可见，光伏水泵的使用能减少环境的破坏甚至能帮助恢复已破坏的生态环境，具有很高的环境效益[2]。
2自动控制系统设计
全自动光伏水泵系统的自动控制系统的设计，应使用单片机时钟控制电路控制自动开关机与复位，并利用充放电控制电路和跟踪控制电路实现整个系统的全自动运行，具体原理如图1所示。
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图1控制系统的工作原理图
通过时钟对电路的自动开关进行控制，对太阳光的强度进行检测，如果太阳光的强度大于设定强度时，会自动开启追日结构。同时，光伏电池板也会持续给蓄电池进行充电处理，在蓄电池内的电量达到90%以上时，会启动水泵工作，利用充放电控制电路对电池板的发电率进行检测。当实际发电率大于额定的发电率时，电池板不仅能支持水泵的工作，还能对蓄电池充电。如果电池板的发电率比额定的功率小，需要蓄电池与电池板持续为水泵供电。如果蓄电池内的电量低于25%，水泵会停止工作，电池板发出的电量将为蓄电池进行充电，而后进行良性循环控制。如果太阳的光照强度波动比较大，在蓄电池的缓冲作用下，能够长时间为水泵提供电量，确保其持续运行，从而有效避免了水泵因频繁启动而造成的欠功率等现象，进一步延长水泵的使用寿命，也可以确保水泵的长时间运行效果。傍晚时，利用时钟控制电路，而后将追日结构复位，从而使电池板能够复原水平位置，在这时，风阻力也会降低到最小，有效保护了电池板和追日装置，避免其受到风力的破坏，与此同时，整个系统也会进入休眠状态，从而降低整个系统的能量消耗。水泵尚未开启时，电池板给予的所有电量都能为蓄电池进行持续性充电，也可以对电池板的实际发电率进行记录，而后推算出蓄电池的充电时间[3]。
3测试
3.1测试条件与测试结果
按照水泵的实际工作状况与控制原理，正确地调整和选择水泵的参数以及所匹配的电池板和蓄电池。将水泵的额定电压设置为24V、额定的功率设置为300W、最大扬程为22m、最大流量为3.6m/h。同时，选择4块电池板进行并联供电，其总功率应为360W，总工作电压为30V，最短运行时间为20min。在山东地区，在确保天气晴朗的户外条件下进行对比测试，对比项目分别为全自动光伏水泵系统与固定式光伏水泵系统，测试的时间为6：00~18：00，测试结果如图2所示。
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图2测试结果图
3.2 2种水泵系统经济性对比分析
对2种不同的水泵系统进行经济性分析与对比，具体如表1所示。在全自动光伏水泵系统中加入了控制器件、追日装置、蓄电池等部件，使该系统在安装与维护过程中非常复杂，相比于固定光伏水泵系统，其成本要高出1.32倍，但是全自动光伏水泵系统的水量输出高于固定光伏水泵系统的72%，综合全面性价比分析，全自动光伏控制系统的综合性价比要高于固定光伏水泵系统约20%。
表1 2种水泵系统经济性对比分析
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4全自动光伏水泵系统的优势
全自动光伏水泵系统利用的是可再生能源，通过该系统的作用能够确保太阳光照射与农作物的实际需求量之间保持高度契合，对水资源缺少的地区，是一种可以值得人们高度信赖的新科技。我国属于水资源相对贫乏的国家，在西部干旱区域，利用全自动光伏水泵系统能够有效将渗灌、滴灌以及微灌等技术进行结合，实现更加高效率的灌溉。同时，相比于固定式和传统的柴油式水泵系统，全自动光伏水泵系统的可靠性与工作效率均高，并且有效降低了灌溉需要的成本，从而为偏远地区的人们带来了新的发展生机[4]。具体来说，全自动光伏水泵系统的优势可以分为以下5点：（1）该系统的使用时间比较长，而且符合环境保护的要求，也不会对水资源造成污染；（2）可靠性比较强，各种保护设施齐全；（3）综合性价比较高，适用于水资源匮乏地区；（4）自动化控制，降低人力成本；（5）实现农作物与自然条件的高度契合。
结语
综上所述，为了进一步提高水泵系统的工作能力，应利用现有技术对全自动水泵系统进行深入研究，从而提高出水量，确保水泵系统运行的稳定性，为越来越多的人们提供安全、干净的水资源。
参考文献
[1]张晨滢,杨薇,严德广,薛洋,曹辰旸.基于物联网的智能光伏水泵灌溉系统[J].农村经济与科技,2018,29(11):95-96.
[2]徐斌,王志新,包龙新,秦华.光伏水泵提水系统功率补偿器设计[J].电机与控制应用,2018,45(04):67-72.
[3]褚俊,胡世鹏,俞国强.自动跟踪式光伏水泵功率自适应系统研制[J].自动化应用,2017(08):158-159+163.
[4]施爱平,许冠杰,施健.基于AVR单片机的全自动光伏水泵系统[J].排灌机械工程学报,2016,34(03):265-269.