昆明五威科工貿(mào)有限公司 ■ 劉寧楊克磊 高曉蘭

一種光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的配置方法研究

昆明五威科工貿(mào)有限公司 ■ 劉寧*楊克磊 高曉蘭

提出一種光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的配置方法，構(gòu)建了一個(gè)完整、有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，分析各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算方法，根據(jù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果即可完成光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的組部件配置。文中對(duì)每一設(shè)計(jì)步驟提出理論數(shù)學(xué)模型，分析建模原理，并探討數(shù)學(xué)模型中判別式判別因子的取值和關(guān)鍵系數(shù)的取值范圍。研究結(jié)果與工程實(shí)踐對(duì)比表明：采用本文提及的方法，能較為準(zhǔn)確地計(jì)算出光伏揚(yáng)水系統(tǒng)各重要參數(shù)值，避免提水過(guò)量、不足或失敗的問(wèn)題出現(xiàn)。該方法可作為一種切實(shí)可行的工程經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)光伏揚(yáng)水工程的實(shí)施。

光伏揚(yáng)水系統(tǒng)；配置流程；計(jì)算方法

0　引言

光伏揚(yáng)水系統(tǒng)是利用太陽(yáng)輻射能量轉(zhuǎn)化為電力并驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行抽水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)集太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化、電子控制、水泵及給排水等專(zhuān)業(yè)學(xué)科與技術(shù)于一體，相較于傳統(tǒng)的市電揚(yáng)水系統(tǒng)和燃油供電揚(yáng)水系統(tǒng)，具有不受建設(shè)場(chǎng)地約束、無(wú)人值守、一次性投資、無(wú)污染、無(wú)排放等諸多優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前已作為一項(xiàng)技術(shù)成熟的可再生能源利用系統(tǒng)，規(guī)模化地運(yùn)用到農(nóng)村居民生活和農(nóng)業(yè)灌溉提水領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的光伏揚(yáng)水系統(tǒng)建設(shè)通常采用工程經(jīng)驗(yàn)估算的方法確定系統(tǒng)配置，即根據(jù)建設(shè)地用水需求、揚(yáng)水高差選擇合適的水泵，再用水泵功率乘以一定的安全系數(shù)得到光伏陣列總功率。這種估算方法可簡(jiǎn)便地得出光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，但往往存在較大誤差，造成系統(tǒng)配置過(guò)高，造價(jià)高昂；或系統(tǒng)配置不足，冬季因日照資源低而提水量不足。

本文根據(jù)多年的光伏揚(yáng)水系統(tǒng)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探討一種光伏揚(yáng)水系統(tǒng)詳細(xì)的理論配置方法。采用判別實(shí)施地年均太陽(yáng)輻射量，以特定月的日均輻射值確定提水流量，列舉計(jì)算確定鋪管管徑集合，判別確定最終鋪管管徑，公式法計(jì)算有效揚(yáng)程、水泵功率和光伏組件功率等步驟，構(gòu)建出系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)流程，根據(jù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果完成光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的組部件配置。最后，以貴州省貞豐縣某光伏揚(yáng)水工程為例，驗(yàn)證本配置方法的可行性及經(jīng)濟(jì)性。

1　構(gòu)建系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)流程

本文所構(gòu)建的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)流程如圖1所示，其基本原理為：

1）首先判別實(shí)施地點(diǎn)的太陽(yáng)能資源等級(jí)。要進(jìn)行太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用，實(shí)施地的太陽(yáng)能資源至少應(yīng)為豐富等級(jí)。如果達(dá)不到豐富等級(jí)，則不宜開(kāi)展光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的配置設(shè)計(jì)和建設(shè)工作。在滿(mǎn)足太陽(yáng)能資源等級(jí)的條件下，確定系統(tǒng)配置所必需的3個(gè)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)：日均提水量T、低處取水點(diǎn)與高處蓄水點(diǎn)的垂直高差H和鋪管距離L。考慮到冬季可利用的太陽(yáng)能資源低，因此在本配置方法中提出，將上一年排名第9位的月總輻射觀(guān)測(cè)值Rm折算為日均輻射值，并結(jié)合日均提水量T來(lái)確定流量Q。

2）在流量Q確定的條件下，進(jìn)入確定鋪管管路管徑的流程，分兩步進(jìn)行。第一步，列舉出標(biāo)準(zhǔn)管徑DNi（i=0，1，…，n），判別流量Q與管徑DNi之間的比值是否屬于設(shè)計(jì)區(qū)間［S2，S3］（S2、S3為管徑經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)系數(shù)），如有符合，則將對(duì)應(yīng)的管徑歸納起來(lái)；如均不符合，則適當(dāng)增加Q的取值，直到求出滿(mǎn)足條件的管徑。第二步，確定最終管徑DN。上一步符合條件的管徑如果只有1個(gè)，則最終管徑取該唯一值；如果不少于2個(gè)，則最終管徑取其中直徑最大值。

圖1　光伏揚(yáng)水系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)流程

3）采用公式法計(jì)算并確定有效揚(yáng)程H1。有效揚(yáng)程H1由水位垂直高差H和管損H2確定，管損H2由管損系數(shù)K1、鋪管距離L、流量Q和管徑DN確定。同樣，采用公式法計(jì)算并確定水泵功率Pe和光伏組件功率P，其中，水泵功率Pe由水泵功率系數(shù)K2、液體密度ρ、流量Q和有效揚(yáng)程H1確定，光伏組件功率P由光伏系統(tǒng)效率K3和水泵功率Pe確定。

本文所提及的管徑經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)系數(shù)S2、S3，管損系數(shù)K1和光伏組件功率系數(shù)K3的取值在后面做專(zhuān)項(xiàng)討論。

根據(jù)上述流程所確定的管徑DNi、有效揚(yáng)程H1、水泵功率Pe和光伏組件功率P等參數(shù)，即可配置出光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的組部件。

2　系統(tǒng)建模與分析

2.1太陽(yáng)能資源等級(jí)判別

太陽(yáng)能資源多寡以太陽(yáng)總輻射曝輻量度量，它直接反映了太陽(yáng)能資源的可開(kāi)發(fā)程度。采用太陽(yáng)總輻射年曝輻量作為分級(jí)指標(biāo)，將太陽(yáng)能資源劃分為4個(gè)等級(jí)：極豐富（A）、很豐富（B）、豐富（C）及一般（D）［1］。如表1所示，該判別式為：

表1　總量等級(jí)

2.2流量Q的數(shù)值模型與分析

光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的實(shí)施，首先要根據(jù)用水規(guī)模確定系統(tǒng)流量Q，流量取值大小直接關(guān)系到系統(tǒng)建造成本及最終效果。Q取值過(guò)大，則系統(tǒng)成本大幅提高；Q取值過(guò)小，則提水量不能滿(mǎn)足需求。由于全年太陽(yáng)能資源差異較大，需要綜合考量Q取值大小，考慮到冬季日照資源相對(duì)匱乏，而光伏揚(yáng)水系統(tǒng)需全年滿(mǎn)足用戶(hù)用水需求，這里采取折中方法，即獲取實(shí)施地上一年度的太陽(yáng)輻射觀(guān)測(cè)值，將其中排名第9位的月總輻射觀(guān)測(cè)值Rm折算為日均輻射值，并結(jié)合日均提水量T來(lái)確定流量Q。該步驟計(jì)算關(guān)系式為：

式中，T為日均提水量，m3；d為當(dāng)月天數(shù)；E為太陽(yáng)輻照度，取值為1 kW/m2；Rm為月總輻射觀(guān)測(cè)值，MJ/m2。

2.3管徑DN的數(shù)值模型與分析

光伏揚(yáng)水系統(tǒng)采用的給排水管路涵蓋市面上的標(biāo)準(zhǔn)管徑尺寸，因系統(tǒng)為無(wú)人值守，考慮到使用壽命因素，本文以鍍鋅無(wú)縫鋼管作為系統(tǒng)所采用的管路討論。表2為系統(tǒng)常用到的標(biāo)準(zhǔn)管徑尺寸。

表2　鍍鋅鋼管常用尺寸［2］（單位：mm）

如表2所示，將DNi（i=1，2，…，16）代入式（3）：

式中，Q表示流量，m3/h；DNi為表3所示常用鍍鋅鋼管公稱(chēng)尺寸，m；S2與S3為管徑經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)系數(shù)，該系數(shù)取值在后續(xù)討論。

經(jīng)計(jì)算后，如｛DNi｝不為空，?。鸇Ni｝作為最終管徑DN；如｛DNi｝為空集，則考慮適當(dāng)犧牲系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，保證提水量滿(mǎn)足使用需求，適當(dāng)增加Q的取值，求出適合的DN。

2.4有效揚(yáng)程H1的數(shù)值模型與分析

有效揚(yáng)程H1是水泵選型的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)值的準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)水泵的功率選型和設(shè)計(jì)，并最終影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。該值由實(shí)際測(cè)量的水位垂直高差H和管損H2確定。

有效揚(yáng)程H1的數(shù)值模型如式（4）、（5）所示：

式中，H為水位垂直高差，m；H2為管損，m；1.1為安全系數(shù)；L為實(shí)際測(cè)量鋪管距離，m；DN為管徑公稱(chēng)尺寸，m。

2.5水泵功率Pe的數(shù)值模型與分析

光伏揚(yáng)水系統(tǒng)目前常用的水泵有潛水泵、離心泵和柱塞泵，水泵選型需要綜合考慮工作環(huán)境、使用特點(diǎn)、效率、功率等因素。水泵功率Pe可由數(shù)值模型式（6）得出［3］：

式中，ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度。

2.6光伏組件功率P的數(shù)值模型與分析

光伏揚(yáng)水系統(tǒng)目前主要采用單、多晶硅光伏組件構(gòu)建光伏陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。光伏組件功率P可由數(shù)值模型式（7）得出：

3　關(guān)鍵系數(shù)取值分析

3.1S2和S3取值分析

管徑選擇與管道設(shè)計(jì)流速密切相關(guān)，設(shè)計(jì)流速越小，沿程管損越小，系統(tǒng)功率也隨之減小，但所需管道管徑增大，管道建設(shè)成本提高。依據(jù)室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范，管道經(jīng)濟(jì)流速設(shè)計(jì)為1.5～3 m/s［4］。管道平均流速v可由式（8）得出［4］：

故S2取值1.18，S3取值2.35。

3.2K1取值分析

管損系數(shù)K1模型可由式（9）確定：

式中，λ為沿程阻力系數(shù)，其取值參考表3。

3.3K3取值分析

光伏揚(yáng)水系統(tǒng)中的光伏陣列連同逆變器、控制器等構(gòu)建出一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，其光伏陣列最終功率大小取決于系統(tǒng)的整體效率。系統(tǒng)的總效率由光伏陣列效率、逆變器效率和水泵電機(jī)效率等組成。

1）光伏組件匹配損耗系數(shù)指光伏組件在組合成方陣的過(guò)程中，由于組件失配而引起的損耗。系統(tǒng)中選用的光伏組件要求失配率小、一致性好，同時(shí)在組件配置時(shí)要求進(jìn)行組件電壓、電流失配控制，電壓失配控制值為±2％，電流失配控制值為±1％，功率失配控制值為±1％。因此，光伏組件匹配損耗系數(shù)取值為3％。

2）光伏組件表面灰塵等污染折減。灰塵、積垢等污染太陽(yáng)電池表層，從而使發(fā)電量下降。太陽(yáng)電池污染折減取2％，太陽(yáng)電池污染折減系數(shù)取98％。

3）不可利用的太陽(yáng)輻射損失?？紤]日出和日落時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較小，低于逆變器直流輸入電壓下限的損失情況，將光伏發(fā)電系統(tǒng)的可利用率定為98％。

4）溫度損耗折減。一般光伏組件適應(yīng)的溫度范圍為-40～80 ℃，其發(fā)電受環(huán)境溫度影響，光伏組件方陣的運(yùn)行效率有所下降。綜上考慮，光伏發(fā)電系統(tǒng)溫度影響折減按4％考慮，溫度損耗折減修正系數(shù)取98％。

5）直流側(cè)電纜線(xiàn)損，折減系數(shù)取 97％。

6）逆變器轉(zhuǎn)換效率折減。考慮逆變器廠(chǎng)家對(duì)逆變器轉(zhuǎn)換效率的保證，折減系數(shù)取97％。

7）交流側(cè)線(xiàn)損，折減系數(shù)取97％。

8）其他損失折減。光伏發(fā)電系統(tǒng)檢修及故障，將常規(guī)檢修安排在日射量小的月份。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的制造水平和實(shí)際條件，擬定光伏發(fā)電系統(tǒng)的可利用率為 99％。

綜上所述，在未考慮系統(tǒng)設(shè)備元器件老化導(dǎo)致的效率衰減情況下，系統(tǒng)總效率為66％～74％。故K3建議取值范圍為1.35～1.52。

表3　不同管徑管道（鍍鋅鋼管）沿程阻力系數(shù)表

4　工程實(shí)踐分析

根據(jù)以上配置方法，我們進(jìn)行了多個(gè)工程項(xiàng)目實(shí)踐測(cè)試。以2014年貴州省貞豐縣某光伏揚(yáng)水工程為例，該項(xiàng)目為該縣新建工業(yè)園區(qū)提供生產(chǎn)、生活用水，日均用水量需求T=250 m3，蓄水池與取水點(diǎn)最大高差H=88 m，鋪管距離L=1500 m。

表4　貴州省貞豐縣日均太陽(yáng)能輻射量

貞豐全年太陽(yáng)能輻射量（22年平均值）為1361.57 kWh/m2，屬于太陽(yáng)能資源豐富區(qū)域。太陽(yáng)能輻射值排名第9的月份為10月份，取該月觀(guān)測(cè)值Rm=91.14 kWh/m2，根據(jù)式（2）計(jì)算系統(tǒng)流量Q=84.79 m3/h，DN=max｛DNi|由式（5）計(jì)算得到沿程管損H2=79.46 m，有效揚(yáng)程H1=H+1.1H2=175.7m。選用南方泵業(yè)SJ系列潛水泵，K2=0.8，K3=50.69 kW，由式（6）和式（7）計(jì)算得到光伏板功率P=K3Pe=70.96 kW。系統(tǒng)最終配置見(jiàn)表5。

表5　光伏揚(yáng)水系統(tǒng)配置表

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，控制器集成GPRS模塊可遠(yuǎn)程采集流量數(shù)據(jù)，圖2為該套光伏揚(yáng)水系統(tǒng)1年來(lái)的日提水量情況。

圖2　系統(tǒng)提水量

分析全年提水量數(shù)據(jù)可得出，該光伏揚(yáng)水系統(tǒng)全年內(nèi)共有46天由于陰雨天氣提水量＜250 m3，占全年的12.6％，其中，最長(zhǎng)連續(xù)天數(shù)為3天，冬季日均提水量為273.79 m3。工程實(shí)施時(shí)，通過(guò)建造400 m3蓄水池提高需水量，在有效節(jié)約建造成本的前提下最大程度滿(mǎn)足居民用水需求?？梢?jiàn)采用上述配置方法，可對(duì)光伏揚(yáng)水系統(tǒng)配置參數(shù)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)算，保證系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行，同時(shí)有利于系統(tǒng)建造的成本控制。

5　結(jié)論

本文所提出的研究結(jié)果，可以規(guī)避傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)估算法中存在的人為主觀(guān)因素影響大、隨意性強(qiáng)、不利于系統(tǒng)的性能配置和成本控制等缺點(diǎn)，為光伏揚(yáng)水技術(shù)的工程化應(yīng)用提供全面、詳盡且切實(shí)可行的理論依據(jù)和參考。

［1］ GB/T 31155-2014， 太陽(yáng)能資源等級(jí)總輻射國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（2014版）［S］.

［2］ SL540-2011， 光伏提水工程技術(shù)規(guī)范（2011年版）［S］.

［3］ GB/T 1047-2005， 管道元件 DN（公稱(chēng)尺寸）的定義和選用（2005年版）［S］.

［4］ GB 50014-2006， 室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2014年版）［S］.

2015-09-01

劉寧（1980—），男，高級(jí)工程師，主要從事海洋工程裝備及新能源利用方面的研究。huamingning@126.com