專利名稱：光伏海水淡化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及一種光伏海水淡化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
海水淡化是實現(xiàn)水資源利用的技術(shù)，可以增加淡水總量，且不受時空和氣候影響，水質(zhì)好，可以用作居民飲用水和工業(yè)用水等穩(wěn)定供水。現(xiàn)·有的海水淡化方法主要有海水凍結(jié)法、電滲析法、蒸餾法和反滲透法等，但其中大部分方法都需耗費大量電能或石油、煤等化學(xué)能源，不僅不利于環(huán)保，且在海島、船舶等處基本無法很好的實施。目前雖然也出現(xiàn)了一些利用風(fēng)能、太陽能等發(fā)電，并進行海水淡化的設(shè)備，但此類設(shè)備往往存在運行穩(wěn)定性差、能源利用率等缺陷，亟待改良。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光伏海水淡化系統(tǒng)，其具有環(huán)保、節(jié)能，運行性能穩(wěn)定，能源利用率高、使用范圍廣等優(yōu)點，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種光伏海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，它包括太陽能電池組件、控逆一體機、機泵負(fù)載以及海水淡化裝置，所述太陽能電池組件通過控逆一體機與機泵負(fù)載電連接，所述機泵負(fù)載與海水淡化裝置連通。作為優(yōu)選方案之一，所述控逆一體機包括DC-DC升壓電路和與DC-DC升壓電路電連接的變頻器，且所述DC-DC升壓電路與太陽能電池組件電連接，所述變頻器與機泵負(fù)載電連接。作為優(yōu)選方案之一，所述DC-DC升壓電路包括推挽正激電路、ASIPM模塊以及控制單元，所述ASIPM模塊分別經(jīng)推挽正激電路器和隔離驅(qū)動電路與太陽能電池組件和控制單元配合。作為優(yōu)選方案之一，所述ASIPM模塊還包括故障輸出電路、過熱保護電路、欠壓保護電路、過流短路保護電路中的任意一種或兩種以上的組合，且所述故障輸出電路、過熱保護電路、欠壓保護電路、過流短路保護電路分別與控制單元連接。作為優(yōu)選方案之一，所述控制單元還與報警電路、陣列母線電壓檢測模塊、水位打干檢測模塊中的至少一種連接。作為優(yōu)選方案之一，所述控制單元采用內(nèi)置DSP的單片機。作為優(yōu)選方案之一，該海水淡化系統(tǒng)還包括通過控逆一體機與太陽能電池組件和海水淡化裝置電連接的蓄電單元。作為優(yōu)選方案之一，所述海水淡化裝置包括電滲析式海水淡化裝置或反滲透式海水淡化裝置。本發(fā)明的工作原理如下當(dāng)陽光照在太陽能電池組件上，組件通過光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能，電能通過控逆一體機轉(zhuǎn)換成海水淡化裝置需要的電流、電壓，為海水淡化裝置供電，實現(xiàn)海水淡化工藝的聞效、穩(wěn)定進行。


圖I是本發(fā)明一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖I中所示控逆一體機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是dsPIC30F2010芯片的引腳圖；圖4是太陽能電池的特性曲線圖；圖5為TMPPT型最大功率點跟蹤控制原理框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖及一優(yōu)選實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。參閱圖I-圖5，該光伏海水淡化系統(tǒng)是利用太陽電池陣列將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能。經(jīng)過DC/DC升壓，和具有TMPPT功能的變頻器后輸出三相交流電壓驅(qū)動交流異步電機和機泵負(fù)載，完成向海水淡化裝置輸水功能。進一步的，該光伏海水淡化系統(tǒng)包括太陽能電池組件I、控逆一體機2、海水淡化裝置4及機泵負(fù)載3，所述太陽能電池組件通過控逆一體機與機泵負(fù)載電連接，所述機泵負(fù)載與海水淡化裝置配合。作為優(yōu)選方案之一，所述控逆一體機包括DC-DC升壓電路和與DC-DC升壓電路電連接的變頻器，且所述DC-DC升壓電路與太陽能電池組件電連接，所述變頻器與機泵負(fù)載電連接。作為優(yōu)選方案之一，所述DC-DC升壓電路包括推挽正激電路211、ASIPM模塊A以及控制單元212，所述ASIPM模塊分別經(jīng)推挽正激電路211和隔離驅(qū)動電路B與太陽能電池組件和控制單元212配合。作為優(yōu)選方案之一，所述ASIPM模塊A還包括故障輸出電路Al、過熱保護電路A2、欠壓保護電路A3、過流短路保護電路A4，且所述故障輸出電路、過熱保護電路、欠壓保護電路、過流短路保護電路分別與控制單元連接。作為優(yōu)選方案之一，所述控制單元還與報警電路Cl、陣列母線電壓檢測模塊C2和水位打干檢測模塊C3連接。作為優(yōu)選方案之一，所述控制單元212采用內(nèi)置DSP的單片機，其與控制電源D連接。作為優(yōu)選方案之一，該海水淡化系統(tǒng)還可包括通過控逆一體機與太陽能電池組件和海水淡化裝置電連接的蓄電單元。前述海水淡化裝置可選用電滲析式海水淡化裝置或反滲透式海水淡化裝置等，但不限于此。作為一種較佳的實施例，前述控逆一體機2的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，其中，DC/DC部分(升壓電路部分)采用推挽正激式電路進行升壓；而DC/AC部分(變頻器部分)采用三相橋式逆變電路。其中，主功率器件采用ASIPM (—體化智能功率模塊)，系統(tǒng)控制核心由內(nèi)置DSP的單片機構(gòu)成。外圍控制電路包括陣列母線電壓檢測和水位打干檢測電路。該系統(tǒng)首先通過初始設(shè)置的工作方式和PI參數(shù)工作，然后由MPPT子程序?qū)崟r搜索出的電壓值作為內(nèi)環(huán)CVT的給定，通過PI調(diào)節(jié)得到工作頻率值，計算出PWM信號的占空比，實現(xiàn)光伏陣列的真正最大功率跟蹤(TMPPT)，并保持異步電機的V/f比為恒值。系統(tǒng)將MPPT和逆變器相結(jié)合，利用ASIPM模塊自帶的故障檢測功能進行檢測和保護，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。本發(fā)明采用了結(jié)構(gòu)新穎的推挽正激電路，不僅可克服偏磁問題，而且閉環(huán)控制也比較容易(二階系統(tǒng))，同時輸出濾波電感和電容大大減小。該推挽正激電路由功率管Si、S2，電容CS和變壓器T等組成，變壓器T原邊繞組NI及N2具有相同的匝數(shù)，同名端如圖2所示。當(dāng)SI及S2同時關(guān)斷的時候，電容CS兩端電壓下正上負(fù)，且等于陣列電壓，當(dāng)SI開通，SUN2和光伏陣列構(gòu)成回路，N2上正下負(fù)，同時C8、N1和SI構(gòu)成回路，C8放電，NI下正上負(fù)，此時的工作相當(dāng)于兩個正激變換器的并聯(lián)。同理，當(dāng)S2開通SI關(guān)斷時，也相當(dāng)于兩個正激變換器的并聯(lián)。前述內(nèi)置DSP的單片機可選用Microchip公司的dsPIC30F2010芯片(如圖3所示)，其主要適用于電機控制，如直流無刷電機、單相和三相感應(yīng)電機及開關(guān)磁阻電機；同時也適用于不間斷電源(UPS)、逆變器、開關(guān)電源和功率因數(shù)校正等。該芯片的主要結(jié)構(gòu)如 下12KB程序存儲器；512字節(jié)SRAM ；1024字節(jié)EEPROM ；3個16位定時器；4個輸入捕捉通道；2個輸出比較/標(biāo)準(zhǔn)PWM通道；6個電機控制PWM通道；6個10位500kspsSA/D轉(zhuǎn)換器通道。其主要特點是A/D采樣速度快且多通道可以同時采樣；6個獨立/互補/中心對齊/邊沿對齊的PWM ；2個可編程的死區(qū)；在噪聲環(huán)境下5V電源可正常工作；最低工作電壓3V ；A/D采樣和PWM同期同
止/J/ O但需要說明的是，由本發(fā)明說明書所記載的技術(shù)方案，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然亦可想到采用其它具有DSP功能的單片機或類似設(shè)備替換前述dsPIC30F2010芯片，并實現(xiàn)基本相同的功能。本發(fā)明系基于TMPPT(True Maximum Power Point Tracking)的設(shè)計，進行“真正的最大功率跟蹤”控制，即保證系統(tǒng)不論在何種日照及溫度條件下，始終使太陽電池工作在最大功率點處。由于逆變器采用恒V/f控制，故機泵電機的轉(zhuǎn)速與其輸入電壓成正比，因此，調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就等于調(diào)節(jié)了負(fù)載電機的輸出功率。故本發(fā)明采用TMPPT方式使太陽電池盡可能工作在最大功率點處，為負(fù)載提供最大的能量。而由太陽電池陣列的特性曲線(參閱圖4)可知,在最大功率點處，dP/dv = 0，在最大功率點的左側(cè)，當(dāng)dP/dV > O時，P呈增加趨勢，dP/dV < O時，P呈減少趨勢；但在最大功率點的右側(cè)，當(dāng)dP/dv > O時，P呈減少趨勢，dP/d ν < O時，P呈增加趨勢。據(jù)此可在實際運行時根據(jù)P-V的變化關(guān)系確定最大功率點。圖5為TMPPT型最大功率點跟蹤控制框圖。系統(tǒng)的輸入指令值為0，反饋值為dP/dV,假定Z3狀態(tài)為+1，則Usp*指令電壓增加，經(jīng)CVT環(huán)節(jié)調(diào)整，系統(tǒng)的輸出電壓V跟蹤Usp*增加，采樣輸出電流I，經(jīng)功率運算環(huán)節(jié)和功率微分環(huán)節(jié)，獲得dP/dV值，如dP/dV > O,則Zl為+1，Z2為+1，Z3為+1，Usp*指令電壓繼續(xù)增加。如dP/dV < 0，則Zl為-1，Z2為_1，Z3為_1，Usp*指令電壓開始減小。穩(wěn)定工作時，系統(tǒng)在最大功率點附近擺動，如果擺動幅度越小，則精度越高。在具體工作時，為了防止搜索方向的誤判斷，軟件中設(shè)置了搜索限幅值，使系統(tǒng)的工作可靠性進一步提高。由于本發(fā)明中采用的ASIPM模塊帶有電流檢測功能，故在硬件設(shè)計上可以省去電流檢測電路，節(jié)約了成本，并進一步優(yōu)化了外圍電路。
另外，藉由前述設(shè)計，本發(fā)明還具有諸多保護功能，比如I)過流和短路保護功能由于ASIPM的下臂IGBT母線上串有采樣電阻，所以通過檢測母線電流可以實現(xiàn)保護功能。當(dāng)檢測電流值超過給定值時，被認(rèn)為過流或短路，此時下橋臂IGBT門電路被關(guān)斷，同時輸出故障信號，dsPIC檢測到此信號時封鎖PWM脈沖進一步保護后級電路。2)欠壓保護功能ASIPM檢測下橋臂的控制電源電壓，如果電源電壓連續(xù)低于給定電壓lOMs，則下橋臂各相IGBT均被關(guān)斷，同時輸出故障信號，在故障期間，下橋臂三相IGBT的門極均不接受外來信號。3)過熱保護功能ASIPM內(nèi)置檢測基板溫度的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值被直接輸出，dsPIC通過檢測其阻值可以完成過熱保護功能。
以上保護是利用了 ASIPM自身帶有的功能，無須外加電路，進一步簡化了硬件電路設(shè)計。系統(tǒng)除了具有上述保護功能外，還具有光伏機泵系統(tǒng)特有的低頻、日照低、打干(自動和手動打干)等保護功能。對于泵類負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于下限值時，光伏陣列所提供的能量絕大部分都轉(zhuǎn)化為損耗，長期低速運行，會引起發(fā)熱并影響機泵使用壽命，因此，本發(fā)明設(shè)計了低頻保護，對機泵來說，當(dāng)液面低于機泵進水口時，機泵處于空載狀態(tài)，若不采取措施，長時間運行則會損壞潤滑軸承，而本發(fā)明為戶外無人值守工作方式，故系統(tǒng)為了增加檢測可靠性，采用了自動打干和手動打干兩種識別方式，其中，自動打干是根據(jù)系統(tǒng)輸出功率和電機工作頻率來進行判別；手動打干則是通過水位傳感器識別當(dāng)前水位高低來實現(xiàn)的。由于低頻、日照低、打干等功能都是由軟件來完成，不須增加硬件電路，故系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單?？偠灾摴夥Ｋ到y(tǒng)無需額外耗費煤、油、電能等，不會釋放有害物質(zhì)，節(jié)能環(huán)保，運行性能穩(wěn)定，能源利用率高，適于在多種環(huán)境中廣泛使用。
權(quán)利要求
1.一種光伏海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，它包括太陽能電池組件、控逆一體機、機泵負(fù)載以及海水淡化裝置，所述太陽能電池組件通過控逆一體機與機泵負(fù)載電連接，所述機泵負(fù)載與海水淡化裝置連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光伏海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述控逆一體機包括DC-DC升壓電路和與DC-DC升壓電路電連接的變頻器，且所述DC-DC升壓電路與太陽能電池組件電連接，所述變頻器與機泵負(fù)載電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光伏海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述DC-DC升壓電路包括推挽正激電路、ASIPM模塊以及控制單元，所述ASIPM模塊分別經(jīng)推挽正激電路器和隔離驅(qū)動電路與太陽能電池組件和控制單元配合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光伏海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述ASIPM模塊還包括故障輸出電路、過熱保護電路、欠壓保護電路、過流短路保護電路中的任意一種或兩種以上的組合，且所述故障輸出電路、過熱保護電路、欠壓保護電路、過流短路保護電路分別與控制單元連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項所述的光伏海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元還與報警電路、陣列母線電壓檢測模塊、水位打干檢測模塊中的至少一種連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項所述的光伏海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元采用內(nèi)置DSP的單片機。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的光伏海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，它還包括通過控逆一體機與太陽能電池組件和海水淡化裝置電連接的蓄電單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的光伏海水淡化系統(tǒng)，其特征在于，所述海水淡化裝置包括電滲析式海水淡化裝置或反滲透式海水淡化裝置。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種光伏海水淡化系統(tǒng)，它包括太陽能電池組件、控逆一體機、機泵負(fù)載以及海水淡化裝置，所述太陽能電池組件通過控逆一體機與機泵負(fù)載電連接，所述機泵負(fù)載與海水淡化裝置連通。作為優(yōu)選方案，所述控逆一體機包括DC-DC升壓電路和與DC-DC升壓電路電連接的變頻器，且所述DC-DC升壓電路與太陽能電池組件電連接，所述變頻器與機泵負(fù)載電連接。所述DC-DC升壓電路包括推挽正激電路、ASIPM模塊以及控制單元，所述ASIPM模塊分別經(jīng)推挽正激電路器和隔離驅(qū)動電路與太陽能電池組件和控制單元配合。本發(fā)明無需額外耗費煤、油、電能等，不會釋放有害物質(zhì)，并具有環(huán)保、節(jié)能、運行性能穩(wěn)定、能源利用率高、成本低廉，使用范圍廣等優(yōu)點，適于在多種環(huán)境中廣泛使用。
文檔編號C02F1/469GK102774916SQ20121029733
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月21日
發(fā)明者王光月, 董偉偉 申請人:青島炅陽光伏科技有限公司