李中華，張云峰，王樹鵬

（云南省水利水電科學研究院 農(nóng)村水利與水資源研究所，云南 昆明 650228）

云南省光伏水泵的適用性分析

李中華，張云峰，王樹鵬

（云南省水利水電科學研究院 農(nóng)村水利與水資源研究所，云南 昆明 650228）

文章根據(jù)光伏水泵的工作原理對其優(yōu)劣勢進行了淺析，并結(jié)合云南省自然條件，對光伏水泵在云南省的適用范圍和規(guī)劃設(shè)計要點進行了分析，并對其發(fā)展前景作了展望。

光伏水泵；優(yōu)劣勢；云南省；適用性；分析

1 光伏水泵工作原理

光伏水泵亦稱太陽能水泵，其基本原理是利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動電動機帶動水泵從水源提水。一般由太陽電池組件組成的光伏陣列、太陽能充放電控制器、蓄電池組、逆變器、光伏水泵構(gòu)成。

（1）光伏陣列

太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽能電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和多元化合物電池等。單晶硅和多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率較高，壽命長，應(yīng)用量最大。單一組件的太陽能電池發(fā)電量是十分有限的，實際運用中，通常把單一組件通過電纜和匯線盒實現(xiàn)組件的串、并聯(lián)，組成整個的組件系統(tǒng)，稱為光伏陣列。

（2）控制器

控制器是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中非常重要的部件，控制光伏陣列對蓄電池組進行充電，并控制蓄電池組對后負載的放電，實現(xiàn)蓄電池組的過充和過放保護，對蓄電池進行溫度補償，并監(jiān)控蓄電池組的電壓和啟動相關(guān)輔助控制。

（3）蓄電池組

蓄電池的作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，需要的時候再釋放出來。蓄電池組是獨立光伏系統(tǒng)中的電能儲存單元，也是通過單節(jié)蓄電池的串、并聯(lián)組成整個的電池組，太陽能電池產(chǎn)生的直流電通過光伏控制器進入蓄電池儲存。目前，國內(nèi)廣泛使用的太陽能蓄電池主要是鉛酸免維護蓄電池和膠體蓄電池兩類。

對于農(nóng)村供水或灌溉可以利用較大容積的蓄水池或庫塘作為蓄能設(shè)施，省掉蓄電池，有效降低建設(shè)成本和運行費用。

（4）逆變器

編目前做好查重工作，可從題名、責任者、ISBN等多種渠道進行查重，才能把圖書查重準確，取號可以避免重號。根據(jù)查重結(jié)果，掌握了圖書的編目規(guī)則，科學的給圖書添加輔助區(qū)分號，把相關(guān)的文獻集中編排，方便讀者檢索,最大限度的利用圖書館[4]。

逆變器就是把直流電（例如12VDC）逆變成交流電（例如220VAC）的設(shè)備。一般分為獨立逆變器和并網(wǎng)逆變器。光伏泵站中一般采用離網(wǎng)的獨立逆變器。

（5）負載

光伏提水負載即為水泵，水泵根據(jù)其工作特點可分為離心式水泵和容積式水泵兩類。

由于光伏發(fā)電具有隨日照的多變性，致使傳統(tǒng)水泵難于工作在最佳工作點附近，對水泵的穩(wěn)定性及壽命都具有挑戰(zhàn)性，因此相關(guān)企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了大量適宜光伏供電的新型泵，比如：容積泵。容積泵的特點是適用于高揚程、小流量，其工作效率曲線較平緩，在中、低頻時效率表現(xiàn)仍然較好，幾乎沒有離心泵在中低頻率段不出水的現(xiàn)象。在同等揚程和日抽水量的情況下，其配套光伏板的數(shù)量較離心泵要少1～1.5倍。

2 光伏水泵經(jīng)濟性分析

由于近幾年太陽能電池及其它電子控制器件的降價，光伏發(fā)電的優(yōu)越性愈發(fā)凸顯。2007年太陽能電池的成本是36元/w，2014年已經(jīng)降到3.8元/w，7年時間幾乎降到原來的1/10?，F(xiàn)在光伏發(fā)電度電成本是0.7～0.8元，國內(nèi)個別企業(yè)已經(jīng)宣稱可以實現(xiàn)度電成本0.4元，直逼火電成本，將對未來能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生革命性的影響。下面將針對不同裝機的光伏水泵、常規(guī)柴油機水泵、電網(wǎng)供電水泵在建設(shè)成本和運行成本方面作簡要的對比，見表1。

表1 水泵成本計算對比表

從表1可看出，柴油機水泵初期投資最低，其次是電網(wǎng)水泵，光伏水泵系統(tǒng)建設(shè)成本相對較高，但隨著運行年數(shù)的增加，常規(guī)的柴油機水泵和電網(wǎng)水泵運行維護費用將不斷增加，5年以后，柴油機水泵的水成本將是光伏水泵水成本的兩倍以上。光伏水泵盡管其一次性投資較大，但其運行費用極低，每方水提水成本與內(nèi)燃機提水和電力提水相比是最經(jīng)濟的。

3 光伏水泵優(yōu)劣勢分析

3.1 光伏水泵優(yōu)勢

（1）運行成本低，經(jīng)濟可靠，使用壽命長。光伏水泵技術(shù)將儲電變?yōu)閮λ行Ы档土讼到y(tǒng)成本，與常規(guī)柴油水泵及電網(wǎng)供電相比也有經(jīng)濟上的優(yōu)勢，太陽能電池組件及電源系統(tǒng)能可靠地運行25年以上，可以節(jié)約20年以上的電費，具有一次投入長期受益的特點。雖然前期投入相對較高，但從項目的長期運行來看，光伏水泵是最經(jīng)濟的提水技術(shù)手段。

（2）清潔環(huán)保。太陽電池組件是利用光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，沒有可動部件，發(fā)電過程沒有噪音，沒有任何污染排放，是利用清潔可再生能源。

（3）不受電網(wǎng)距離、電源不便的限制，有穩(wěn)定水源的即可建設(shè)抽水系統(tǒng)。

（4）光伏水泵是通用標準型產(chǎn)品，容易選型、配套；建設(shè)周期短，應(yīng)急效果好。

（5）與柴油機和常規(guī)電源抽水相比，光伏水泵的運行維護具有安全可靠、故障率低、自動化運行、無需人員職守、管理費用較低的特點。

（6）光伏水泵系統(tǒng)可以按模塊化建設(shè)，可根據(jù)負荷的增減，通過添加或減少太陽能方陣來分期建設(shè)，分期發(fā)揮效益。

3.2 光伏水泵劣勢

（1）受限于光照時長和光照強度，陰雨天和夜間不能抽水，調(diào)節(jié)功能有一定限制。

（2）太陽能板能量密度低，相對傳統(tǒng)提水工程其占地面積較大，需對太陽能板采取適宜的保護措施。

（3）太陽輻射及溫度隨時間波動對光伏系統(tǒng)的運行有不利影響。目前主要采用固定電壓控制模式解決，通過智能變頻控制等新技術(shù)來調(diào)整水泵的工作功率，真正實現(xiàn)了動態(tài)最大功率跟蹤，顯著提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)成本。

（4）受系統(tǒng)規(guī)模及投資因素影響，光伏水泵適應(yīng)范圍還較小，一般能正常供水的人口規(guī)?；蛴行Ч喔让娣e不宜過大，存在一定的局限性。

（5）一般需要規(guī)模較大的蓄能設(shè)施，包括蓄電池或蓄水設(shè)施等。

4 云南省光伏水泵的適用性分析

4.1 云南省自然條件

云南省河流、湖泊眾多，水資源豐沛，多年平均水資源總量為2210億m3，居全國第三，多年平均人均水資源量約5000m3，約為全國人均水資源量的2.3倍，但水土資源的時空分布極不平衡，山區(qū)和高原半山區(qū)占全省土地面積的94%，地形復雜，山高水深，開發(fā)利用難，大江大河水量雖然多，但干流河床切割深，水低田高，形成了“水在下面流，人在上面愁”的局面，常規(guī)提水技術(shù)的運行成本很高，常常是提灌站建得起用不起，開發(fā)利用困難。在相對偏遠的山區(qū)和半山區(qū)，人居分散、耕地面積分散、交通不便、能源供給困難，電網(wǎng)架設(shè)距離遠且線損高、效益低，致使提水動力無法解決，這已經(jīng)成了限制這些地區(qū)人畜飲水和灌溉發(fā)展的關(guān)鍵因素。云南省光照條件較好，每年每平方厘米為90～150千卡，僅次于西藏、青海、內(nèi)蒙古等省、自治區(qū)。一些干旱地區(qū)太陽能資源相對更豐富，年日照時間在2200h以上。在云南省使用光伏水泵有較好的自然條件。

4.2 光伏水泵在云南省適用范圍分析

云南省水資源及光熱資源豐富，山區(qū)面積較多，現(xiàn)狀共有小型灌區(qū)4027個，坡地較多，居住人口及耕地面積較分散，很多灌區(qū)沒有電網(wǎng)覆蓋或離電網(wǎng)較遠，水低田高，沒有骨干水源工程可依托，有水用不上的問題較突出，灌溉保證率較低。部分原來建設(shè)的常規(guī)能源泵站由于運行成本較高，農(nóng)戶難以承受，很多泵站未達到使用年限就已提前廢棄，造成了投資浪費。

近幾年云南省干旱情況嚴重，雖已建成了大量的骨干水源工程和山區(qū)“五小水利”工程，但由于骨干水源工程（水庫）和小壩塘、水池（窖、柜）等蓄水不足，加上灌溉渠系等不配套，運行管理差，灌溉缺水問題依然突出。結(jié)合云南省實際情況，光伏水泵在山區(qū)或半山區(qū)人畜飲水、提水灌溉、庫塘補水、草原畜牧用水以及景觀用水等方面均可得到有效利用。云南省怒江州、迪慶州等區(qū)域光熱資源豐富，山高谷深，人口及耕地面積分散，工程性缺水嚴重，光伏水泵適用性強，在部分沒有電網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，其應(yīng)用價值更高。

4.3 光伏水泵規(guī)劃設(shè)計要點分析

（1）選擇可靠水源

光伏泵站為永久建筑，有穩(wěn)定、可靠水源是前提，在滿足水土資源平衡的前提下才能考慮建設(shè)光伏泵站。若以江河湖泊較大水體為水源時，要重點分析其水位變化情況（尤其季節(jié)性河道取水）；若以打井工程為水源時要注意研究動水位，以便合理布置吸水管安裝高程，也可考慮選用潛水泵。

（2）合理確定裝機規(guī)模

根據(jù)光伏水泵供水對象，參照《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》（SL310-2004）、《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB-T20203-2006）、《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50485-2009）、《灌溉與排水工程技術(shù)規(guī)范》（GB50288-99）等相關(guān)規(guī)范，合理確定其供水規(guī)模，結(jié)合水源與供水服務(wù)區(qū)的高差關(guān)系，經(jīng)水力計算確定光伏水泵揚程，根據(jù)設(shè)計流量及揚程選取適宜的光伏水泵。高揚程、小流量的水泵可選用容積泵，低揚程、大流量的水泵可選用離心泵，建議進行方案對比后確定。

（3）選擇合適的安裝場地

根據(jù)確定的泵站規(guī)模、資金情況及場地條件選擇適宜的光伏陣列，場地盡可能選擇日照長的南向場地作為光伏列陣的安裝區(qū)域，計算出光伏陣列方位角、最佳傾角及占地面積。同時避開潛在遮陰的建筑物或樹木等，可優(yōu)先考慮布置于房頂、荒山荒坡等區(qū)域，根據(jù)實際地形可考慮分散布置，盡量少占用農(nóng)田和居民用地，工程設(shè)計中要切實考慮永久征占地的問題。

（4）系統(tǒng)要有適宜容積的蓄水池或庫塘

光伏水泵蓄電池壽命有限，使用成本較高，在光伏水泵推廣應(yīng)用時，結(jié)合工程需要，優(yōu)先考慮蓄水池或庫塘作為蓄能設(shè)施，避免采用昂貴的蓄電池進行儲能。

作為農(nóng)村人畜供水的光伏泵站蓄水池容積可以根據(jù)保證率要求合理確定，當調(diào)節(jié)容積跟水質(zhì)衛(wèi)生要求矛盾時，可以安裝實時消毒設(shè)施，或者按照規(guī)范再新建清水池。

用于農(nóng)灌供水的光伏泵站，為滿足灌區(qū)灌溉制度、工作制度的要求，規(guī)劃設(shè)計中可利用較大容積的蓄水池或庫塘蓄水，這樣可充分利用光伏泵站的有效工作時間。

（5）盡量采用高效節(jié)水灌溉措施

考慮到光伏泵站建設(shè)成本較高，用于農(nóng)田灌溉時，首先應(yīng)適當優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)，盡可能種植高附加值的經(jīng)濟作物，以充分發(fā)揮工程效益。建議盡可能采用高效節(jié)水灌溉措施，如：管灌、噴灌、微灌等，有效提高灌溉水利用系數(shù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，合理確定灌溉制度和工作制度，優(yōu)先采用輪灌工作制度，優(yōu)化系統(tǒng)流量、光伏水泵規(guī)模、管材及管徑等，有效降低建設(shè)成本。

除以上幾點外，光伏提水工程規(guī)劃設(shè)計應(yīng)符合《光伏提水工程技術(shù)規(guī)范》（SL540-2011）、《太陽能光伏水泵系統(tǒng)》（NB/T32017-2013）等相關(guān)規(guī)范和行業(yè)標準的相關(guān)要求。

5 云南省光伏水泵發(fā)展前景分析

光伏水泵是利用來自太陽的持 久綠色能源，其具有運行成本低，經(jīng)濟可靠，清潔環(huán)保等諸多優(yōu)點。云南省水資源及光熱資源豐富，山區(qū)面積較多，水低田高，居住人口及耕地面積較分散，光伏水泵在云南省適用性較高。光伏水泵技術(shù)日趨成熟，在“能源問題”嚴重性不斷提升的今天，在各地政府及相關(guān)部門的重視和積極努力下，光伏水泵已在云南省人畜飲水、農(nóng)田灌溉方面等方面得到逐步應(yīng)用，推廣及應(yīng)用前景廣闊。

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

［2］NB/T32017-2013.太陽能光伏水泵系統(tǒng)［S］.

［3］查詠.風力和光伏提水泵站的優(yōu)化設(shè)計［J］.中國農(nóng)村水利水電，2010（08）.

［4］劉偉，吳永忠.太陽能光伏提水節(jié)水灌溉技術(shù)［J］.節(jié)水灌溉，2004（05）.

S277

B

1672-2469（2017）10-0015-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.005

2017-03-21

李中華（1980年-），男，高級工程師。