平移式喷灌机光伏驱动动力优化配置研究

发布时间：2020-08-04 16:08

【摘要】：平移式喷灌机组具有投资少、效益高、机动灵活等优点,适应我国农村发展的需要,受到农户欢迎,但是电动平移喷灌机因其电力驱动的特点,难以满足偏远缺电地区的灌溉需求。太阳能平移式喷灌机组符合平移式喷灌机低压低能耗喷灌、绿色清洁能源驱动、精准自动化灌溉的发展趋势,该机组采用低压喷头喷灌、太阳能供电驱动,在农业灌溉装备领域的应用将达到节能减排与节水灌溉的双重效果,在我国干旱少雨且光照充足的西部地区有着巨大的应用前景。太阳能平移式喷灌机的性能受气象影响因素较大,气象条件既影响作物的耗水量也影响太阳能喷灌机的发电量,而太阳能发电量的多少直接影响喷灌机灌溉作业能力,故在基于作物灌溉制度和太阳能喷灌机经济成本的前提下,研究太阳能喷灌机光伏驱动动力的优化配置是非常必要的。平移式喷灌机光伏驱动动力优化配置的研究,以机组全寿命周期成本最低为目标,负载亏电率和能量溢出比为约束指标,围绕机组季节性负载对光伏驱动能量优化和供电性能进行了分析和研究。本文的主要研究内容和结论:(1)光伏电池输出特性与仿真试验。对光伏电池进行Matlab/Simulink建模,仿真得到了不同太阳辐照强度和环境温度条件下的光伏组件输出特性U-I、U-P、P-t曲线,进而得到光伏组件全天累计发电量,仿真模型结果和实测结果误差在允许精度6%内。(2)光伏驱动能量配置优化研究。提出一种太阳能平移式喷灌机光伏配置方法,以系统全寿命周期成本最小为目标,以负载亏电率和能量溢出比为约束指标,得到了季节性负载的光伏阵列最佳布设倾角及系统蓄电池和光伏电池容量的最优配置组合。太阳能喷灌机主要用于春-夏季灌溉,在优化布设倾角时,应使得作物灌溉期间光伏阵列倾斜面上的太阳辐照度最大。太阳能喷灌机阴雨天气候下不作业或者少作业,根据作物的灌溉用水计划,在满足作物灌水高峰期用电需求的前提下,可考虑适当提高负载亏电率用以满足机组经济性和实用性要求。(3)提出基于PVSYST的太阳能喷灌机供电性能评估方法,以典型历史气象年数据为基础,考虑马铃薯灌溉期与用水高峰期的用电要求,对光伏阵列的倾角布设进行优化。通过PVSYST仿真得到了机组全年供电保证率78.9%,负载亏电率20.9%,缺电时间1830h;其中4-8月马铃薯灌溉期供电保证率96%,6-7月用水高峰期供电保证率98.1%,缺电时间约41h,太阳能平移式喷灌机基本满足马铃薯整个生育期的灌溉要求。(4)机组供电性能分析和运行状态试验研究。采用可持续作业时间作为机组的供电能力指标,以负载亏电率和能量溢出比作为机组的供电可靠性指标。试验结果表明:机组可连续工作9.5~22.6小时,基本满足作物的灌溉要求;马铃薯全生育期内光伏能量能量溢出比43.5%,马铃薯用水高峰期(块茎增长期)能量利用率最大,能量溢出比0.4%,太阳能发电量可满足机组灌溉用电的需求;在连续8天的测试中蓄电池荷电状态均保持在38%以上,太阳能喷灌机供电保证率为100%,光伏能量溢出比17.8%,满足独立光伏发电系统工程范围5%~30%要求。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S277.94
【图文】：

技术路线图,作物,设计技术路线,阵列

能量溢出比，并结合作物的灌溉制度对光伏阵列进行倾角优化设计，使得作物灌溉期的阵列面接收的太阳辐照度最大。设计技术路线如图1-1所示，其中气象环境条件始终影响研究内容的光伏发电性能、光伏能量的供电可靠性和作物的灌水周期。通过模拟仿真法建立气象与光伏电池输出特

模型图,光伏电池,模型,辐照强度

1sdv bT DR（2-6）DCVVdvI IC 2ocsc11 1exp（2-7）mmmP VI（2-8）式中：S1、T1、C1、C2均为中间变量；refS 为标况下太阳辐照强度 1000W/2m ；refT为标况下电池板温度 25℃；S、T 为任意时刻光伏辐照强度和光伏组件背板温度；a、b为补偿系数，a 取 0.0054，b 取 0.21；基于 Simulink 基本元件库，并结合上述光伏电池数学模型表达式，建立了光伏组件动态仿真模型如图 2-1 所示。该模型输入光伏组件的铭牌参数：峰值电压mV =49.71V、峰值电流mI =5.25A、开路电压ocV =60.49V、短路电流scI =5.57A，全天的逐时光伏辐照强度和环境温度，即可仿真不同太阳辐照强度、温度等条件下的光伏电池输出状况，获得其输出电压、输出电流和发电功率等关系图。

曲线,最大输出功率,仿真模型,平移式喷灌机

平移式喷灌机光伏驱动动力优化配置研究 13对上面给出的光伏电池模型进行少许修改后，即可得到光伏组件最大功率输出功率仿真模型如图 2-2 所示。将全天的逐时辐照强度、环境温度、时间、光伏组件铭牌参数输入模型，即可得到光伏组件全天输出功率-时间变化曲线，进而可得到全天累计发电量。

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