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近年来,随着光伏发电技术的广泛普及和发电成本的大幅度下降,光伏水泵（PVWPS）成为解决农村偏远地区局部缺水的有效途径之一。PVWPS总体上分为直驱系统和间接驱动两大类。间接驱动光伏水泵系统的结构和控制系统复杂,适合大型供水工程和光伏储能水能发电系统。直驱光伏水泵系统（DC-PVWPS）利用太阳能电池的电能直接驱动水泵,结构简单,维护少,无需专人值守,依靠储水池来调节农业生产和日常生活的供水需要,非常适合于偏远和局部缺水的农村。然而,由于太阳辐射的不稳定性和周期变化,导致DC-PVWPS的电能供需失配,太阳能利用率低,抽水成本远高于常规电力驱动水泵系统。因此,如何提高DC-PVWPS的太阳能利用率,降低抽水成本是未来DC-PVWPS的重要研究方向。提高DC-PVWPS太阳能利用率的核心首先是使太阳电池的光伏输出稳定以满足水泵对电能的稳定需求,其次是要使太阳电池输出的电流和电压与直流水泵在特定的运行工况下高效运行所需要的电流和电压匹配。常规的单轴和双轴连续跟踪系统的机械和控制系统复杂、容易发生故障,跟踪系统成本高,难以满足偏远农村所要求的简单、实用的技术需求。为此,本研究构建了倾斜南北轴三方位跟踪直驱式光伏水泵系统（INSA-3P-PVWPS）,对系统的影响因素及影响的因果关系开展深入的理论和实验研究;建立了以直流水泵高效运行对电特性参数的需求为基础、以系统太阳能利用率最大为目标、结合INSA-3P跟踪系统的光学特性及太阳电池的光伏输出特性曲线的系统优化设计理论,对系统在不同运行工况下的优化设计开展深入的理论研究。具体研究内容与成果如下:1.本研究首先依据日地运动规律,结合向量代数及太阳辐射理论建立了描述固定式和不同跟踪模式下的光伏组件的光学和光伏性能的数学模型,对比研究了不同跟踪模式下光伏组件的年光伏输出,分析设计和安装参数对其光学和光伏性能的影响,探索以年发电量最大为优化目标的INSA-MP最佳安装倾角及qa;根据我国34个气象站点多年的平均太阳辐射资料,得到了系统年采光量最大的最佳跟踪轴安装倾角和qa的经验关联式。研究结果显示:随着每天方位角调整次数（M）的增加,光伏（PV）组件的年光伏输出逐渐增加,但增加的幅度逐渐减少,优化设计后的INSA-3P、INSA-5P和INSA-7P的年发电量分别达到了双轴跟踪的96%、97%和98%以上。对于小型PVWPS,可以手工操作,INSA-3P是优选方案。2.搭建了DC-PVWPS性能测试平台,对固定式（FIX）、倾斜南北轴三方位跟踪及双轴（2A）跟踪光伏水泵系统的性能进行了长达一年的对比实验研究。实验结果显示:与FIX-PVWPS相比,INSA-3P-PVWPS在晴天下的日抽水量的增加远高于日采光量（日出到日落累积值）的增加,这得益于INSA-3P-PVWPS启动时间早、停止时间晚及稳定的光伏输出。研究发现:在典型的晴天辐照条件下,INSA-3P-PVWPS在冬季的日运行期内的采光量、发电量及抽水量分别为FIX-PVWPS的1.56倍,1.50倍,1.56倍,春季分别为1.51、1.57、1.61倍,夏季为1.68、1.65、1.75倍;而在秋季偶尔有云的气候条件下,日抽水量也可达到1.4倍。实验发现:在晴天条件下,INSA-3P-PVWPS的日抽水量达到了2A-PVWPS的97%。3.冬季1月抽水实验结果显示,与FIX-PVWPS相比,1月INSA-3P-PVWPS月抽水量收益率为1.46倍。与FIX-PVWPS相比,INSA-3P-PVWPS逐月可接收太阳辐照的收益率为1.15～1.27,月抽水量收益率为1.27～1.43,年收益率为1.33。INSA-3P-PVWPS的年抽水量为2A-PVWPS的94%。阴天和多云天气对系统造成不利的影响。在多云天气下,与FIX-PVWPS相比INSA-3P跟踪可以提高PVWPS系统的能源利用效率。4.结合水泵的运行特性（IL-VL）、太阳电池的光伏特性（I-V）和INSA-3P跟踪PV组件的光学特性,以系统太阳利用率最高为目标对系统进行了优化匹配。该方法通过计算最大功率输出利用率因子确定太阳辐射的优化匹配区间,并结合匹配因子的方法实现水泵和PV组件的优化匹配。研究结果显示:未优化匹配的FIX-PVWPS和INSA-3P-PVWPS的能源利用效率为1.7%和2.3%,匹配因子为54%和68%;优化匹配后两个系统的能源利用效率为2.2%和2.8%,匹配因子为66%和83%。跟踪和优化匹配都可以提高PVWPS的能源利用效率和匹配因子,综合采用跟踪和优化匹配对于对提高PVWPS的能源利用效率和匹配因子最有效。