大学生创新项目研究报告

0大学生创新项目研究报告项目名称：无人值守式太阳能水泵项目类型：一般项目项目年度：2015年项目负责人：李庆负责人院（系）：机械交通学院专业（方向）：交通运输项目组成员：徐剑、吴跃、王瑞、梁运洋指导教师：王晓暄(副教授）新疆农业大学教务处制1摘要无人值守式太阳能水泵系统是一套全自动提水系统，它将太阳能转化为电能，驱动各类电动机带动各类高效节能水泵运行从而在深井河湖等水源提水，是一套全机械化的蓄水系统，可广泛应用于众多领域，跟据当地具体情况，确定水资源充足的保有量。它既可提供洁净的人畜饮水，又可根据植被根系含水量，判断其土壤层湿度自动进行浇灌。整套系统具有无噪声、全自动、高可靠、低消耗、高效能、免维护、供水量与蒸发量适配性好的特点。研究目的在于大力推广此项汲水系统，减少化石燃料的使用，减少有害物排放；机械智能化，完全解放劳动力，让每个人都有能力去更加方便的提取及使用水资源。本文主要的研究内容和结论如下：（1）太阳能水泵系统研究的目的和意义（2）讲述光伏水泵的基本构造及原理（3）光伏水泵的设计方案，基本性能参数，创新点。【关键词】：太阳能水泵自动免维护性能参数2目录摘要....................................................1引言....................................................41.研究过程...............................................51.1组织研究过程........................................51.1.1本项目研究的主要内容...........................51.1.2项目成果.......................................61.1.3过程管理.......................................61.1.4问题分析.......................................61.2研究方法的选择和使用...............................72.研究的实施.............................................82.1控制器的选取........................................82.2低日照保护..........................................82.3蓄电池的选取........................................83.无人值守式光伏水泵系统.................................84.项目优点与创新........................................125.结论..................................................13参考文献...............................................143引言虽然我国地大物博，物产丰富，但是还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区。与此同时由于人为破坏和不合理开发活动，使本来就很脆弱的生态环境日益恶化，水上流失、森林减少、土地沙化、盐碱化、荒漠化、等生态环境问题越来越严重，导致空气质量下降，沙尘暴增多。恶化的生态环境迫使世各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到了人类的重视，而这其中，太阳能无疑处于最突出的地位。在我国大西北、西藏和内蒙古等远离电网的偏远地区，很多人喝不到干净的饮用水，在可利用草地面积中，有30％因为缺乏人畜饮水而未能利用。而这些地区同时又是太阳能资源非常丰富的地区，因此，在这些地区发展太阳能水泵技术对合理开发水、土等资源，建设绿色大西北，解决这些贫困地区的饮用水和农牧业用水具有明显的社会效益和经济效益。联合国计划开发署、世界银行、亚太经社会等国际组织都先后充分肯定了它的先进性与合理性。目前在这些国际组织的支持下，全世界已有数万台不同规格的太阳能水泵在不同地区和国家运行，特别是在亚、非、拉及中东等发展中国家，已为许多贫困地区的人民带来相当可观的经济效益，加速这些地区的发展步伐。作为新时期的大学生，我们也将投身于经济环保的发展大军中，利用太阳能绿色，无污染、无需包装运输、取之不尽、用之不竭的特点，对此进行研究，提出了太阳能水泵系统。太阳能水泵也称光伏水泵，是当今世界上阳光丰富地区，尤其是缺电无电的边远地区最具吸引力的供水方式，也是近若干年来迅速发展起来的光机电一体化系统，它利用太阳电池板转化的电力，通过最大功率点跟踪以及变换、控制等装4置驱动直流、永磁、无刷、无位置传感器、定转子双塑封电机或高效异步电机或高速开关磁阻电机带动高效水泵，将水从地表深处提至地面供农田灌溉或人畜饮用。利用随处可取的太阳能，全自动工作，日出而作，日落而歇，无需人员看管，维护工作量可降至最低。不需要柴油、电网，后接蓄水系统，与各种灌溉设施配套应用，可广泛用于无电地区的人蓄用水以及边防、海岛哨所等高度分散点的用水，是理想的集经济性、可靠性和环保效益为一体的绿色能源系统，是全球能源问题解决方案的首选技术应用产品。太阳能水泵系统从设计到制造涉及电气、机械、电力电子、计算机、控制等多个学科的近代技术，为发展现代农业、节能、环保等提供了极其良好的手段。本系统具有良好的长效经济性，特别是和常见的柴油机抽水相比较，具有压倒的经济性优势。发展这种新型环保节能产品无疑将会对发展产业、发展经济，特别是发展干旱地区的现代农业，带来良好的经济效益和社会效益，它特别符合建设“资源节约型”及“环境友好型”社会的发展战略。1研究过程1.1组织研究过程1.1.1本项目研究的主要内容此项目主要研究新能源太阳能技术与传统汲水技术的结合，包括以下几个方面：1.太阳能采集系统的设计2.控制器设计3.供电系统电路设计54.整体及电路设计1.1.2项目成果经过导师及小组成员的共同努力，“无人值守式太阳能水泵”项目已经成功完成理论阶段并投入实体模型建设。在此期间，小组成员明确了项目内容、目标和方向，并且理论联系实际，完成结构图一份，并成功制造出无人值守式太阳能水泵系统模型一个。现实中因为实际操作时环境的限制，我们暂时采用蓄电池来代替太阳能电池板所提供的电能，利用它的电能直接驱动水泵从模型湖河中提取水资源储存到模型水箱中，利用控制器控制水泵工作，实现设计中的水位自控功能；根据不同地区日出日落光照的变化规律，使控制器控制步进电机在一定时间内转动相应角度，获得最大光照，实现设计中的自主追日功能；在最后系统的应用方面我们加入了自动灌溉装置，采用土壤湿度传感器检测土壤层的含水量，当含水量过少时系统就会实行自动灌溉功能。与此同时，由于一些因素的限制，现有系统还不能完全符合我们理想的模型。每当太阳落山，在太阳能电池板在完成一天的工作之后应该回到最初所设定的位置，为第二天的工作做好准备，实现夜晚自动回位功能。在实际的模型建设中，由于其难度系数我们未能完成这一点。1.1.3过程管理小组成员隔周召开例会，讨论检查课题研究进度并且评估课题研究目标和各项任务的研究情况。项目进行期间，组长带领小组成员面见项目主要指导教师，6进行深度交流整理研究成果，完善太阳能水泵的研究和管理。随着通讯软件的广泛运用，小组带头人也建立了QQ群以便小组成员之间随时随地的交流与沟通。1.1.4问题分析在这个高速发展的科技时代利用好太阳能是一个非常重要的战略措施，它能够随取随用，不限时间地点。但是目前太阳能的利用还不是很普及，利用其发电还存在成本高、效率低的问题，光电、光热、光化学是最直接利用太阳能的有效途径。所以在设计中应充分考虑太阳能水泵的性能参数如扬程、流量的设计；光伏水泵的设计方案，包括日照数据处理、光伏组件的特性分析计算、电流电压的大小确定等。在设计一个光伏水泵系统时有两个很重要的原则，一是选用最合适的系统配件，二是系统配件间达到最佳匹配。项目进行过程中我们要解决的主要重点和难点问题有以下三个：1.怎样最大限度的利用太阳能；2.如何实现利用太阳能汲水系统的自动化运行；3.如何提高整套系统工作的持久性与可靠性。1.2研究方法的选择和使用我们小组成员主要利用现代发达的互联网科技，在课余时间通过一些网页和论坛进行筛选并且收集我们所需要的基本资料；还通过图书馆这个巨大的资源库，查询一些文献和资料从而获取可靠的数据；老师和相关研究人员也是为我们提供数据的主要来源；最后实施阶段通过模型具体的实验从而分析得到真实精确的信息。2研究的实施2.1控制器的选取7控制器根据负载电源需求控制太阳能光伏板对其进行电能输出，控制器是整个系统的核心控制部分。要求：所选控制器与系统的理论电压电流相匹配，如额定电流，额定电压，太阳能电池板功率，使用地区海拔高度和所在地纬度等；控制器应具有过压保护，欠压保护，输出过载保护和输出短路保护等功能。2.2低日照保护无人值守式太阳能水泵系统中，由于天气阴晴不定等原因会造成日照强度的降低，此时太阳能光伏板的输出功率变得很小，会造成水泵电机的转速下降，造成太阳能水泵系统无法进行正常的工作，所以必须设置低日照保护维持太阳能水泵系统在低日照下同样能进行正常工作。2.3蓄电池的选取蓄电池的主要任务是在太阳能辐射量不足时，保证系统负载的正常使用，因此蓄电池的容量要根据实际的需求来进行选择，它的电压和负载的工作电压相匹配。要求使用寿命强、少维护、和放电能力强；工作温度范围宽；自放电率低、充电效率高。3无人值守太阳能水泵系统太阳能水泵亦称光伏水泵，主要有光伏阵列、控制器、电机、太阳能水泵和后续自动灌溉系统五部分组成。系统总体是以光伏板为主要外部转换元件、以控制器为控制装置规律驱动步进电机和水泵、最终由蓄水装置储能并反馈的实时供水系统。8光伏水泵系统示意图1）光伏阵列光伏阵列由许多太阳能电池板串并联构成，直接把太阳能转化为直流电。目前太阳能水泵系统的电池都为硅太阳电池，其中包括单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳电池。太阳电池的伏安特性曲线具有强烈的非线性。太阳能电池板的最大输出功率就是它的额定功率。光伏板总成由12块或更多块小型光伏板通过支架连接而成。电力足以保证水泵的正常工作。如果受环境条件的限制可以方便拆卸多余的光伏板，以满足场地需求。光线落在与水平面成一定角度的斜面上2)控制器9太阳能电池板阵列的伏安特性曲线和太阳光照强度、环境温度、阴晴雨雾等气象条件密切相关。相对于某一个固定地点的太阳能水泵系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，如果太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。控制器主要有最大功率电机保护装置等构成，主要有三大部分：一是主控制器，用于分配光伏板所产生的电能，一部分供蓄电池充电，另一部分为后续用电设备供电；二是其他分控制器，（1）水位控制器；（2）低压保护控制器；根据系统的应用场合不同，系统还有附加控制模块。例如：自动灌溉控制器。此外还有控制步进电机的控制器，在其作用下，在不同时刻光伏板的倾斜度不同，以满足系统接受最大光照需求，工作特性稳定。电流电压曲线对应每日日照数据3）电机10由于电机的功率等级，电压等级在很大程度上感受到太阳电池阵列的电压等级和功率等级的制约，所以太阳能水泵的要求被反映到电机上时必须在兼顾阵列结构的条件下去选择。与太阳能水泵相匹配的驱动电机类型有：直流电动机、直流无刷永磁电动机、三相异步电动机、永磁同步电动机、磁阻电动机等。目前用的最多的是三相异步电动机和直流无刷电动机。在系统匹配时应考虑到太阳