陸建華

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

光伏太陽(yáng)能發(fā)電在長(zhǎng)距離輸水工程中的應(yīng)用

陸建華

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

光伏太陽(yáng)能發(fā)電作為清潔能源，對(duì)環(huán)境破壞小，不受輸電線路制約，在道路照明、高速公路信號(hào)指示及通訊等局部小范圍領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用。為解決長(zhǎng)距離輸水線路、水庫(kù)大壩照明，遠(yuǎn)距離系統(tǒng)控制等小容量的監(jiān)視、控制、運(yùn)行等的電力需求，對(duì)采用10 kV網(wǎng)電和采用光伏太陽(yáng)能發(fā)電作為供電主電源進(jìn)行比較，結(jié)果表明采用太陽(yáng)能供電，一個(gè)閥室僅電源一項(xiàng)就減少90萬(wàn)元左右，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

光伏太陽(yáng)能；長(zhǎng)距離輸水；控制系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)分析

西方國(guó)家應(yīng)用光伏太陽(yáng)能發(fā)電已有幾十年歷史，雖沒(méi)有形成大規(guī)模的光伏太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目，但中小容量及家庭式小型光伏太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目已很普及，對(duì)改善環(huán)境起到了非常積極的作用。以色列非常重視光伏太陽(yáng)能的研發(fā)與利用，在光伏太陽(yáng)能技術(shù)上不斷有新的突破，特別是太陽(yáng)能儲(chǔ)存技術(shù)世界領(lǐng)先。日本后來(lái)者居上，產(chǎn)品、技術(shù)和應(yīng)用都走在世界前列，不少城市的光伏太陽(yáng)能使用量已占到總用電量的30%以上。我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展極不平衡，盡管太陽(yáng)光伏發(fā)電組件及電池的產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)日本和歐洲，居世界第一位，但光伏應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展卻非常緩慢，只在道路照明、高速公路信號(hào)指示及通訊等領(lǐng)域小范圍應(yīng)用。

1 長(zhǎng)距離輸水工程概況

1.1 國(guó)情狀況

為滿足廣大人民生產(chǎn)、生活需要，進(jìn)行水資源重新配置，建設(shè)遠(yuǎn)距離輸水工程。水利工程水源及管線多在偏遠(yuǎn)山區(qū)，若采用網(wǎng)電供電，供電工程數(shù)量很大，采用架空線路或地埋電纜投資也很大，維護(hù)費(fèi)用很高，有線路損耗、變壓器損耗和設(shè)備損耗等；若采用柴油發(fā)電機(jī)組供電，要保持連續(xù)工作狀態(tài)運(yùn)行費(fèi)用也很大，并且污染環(huán)境。

近年來(lái)興起的光伏太陽(yáng)能發(fā)電，為解決輸水工程小容量的監(jiān)視、控制、運(yùn)行等的電力需求，提供了條件。在光伏太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)品技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)上我國(guó)與國(guó)外產(chǎn)品有較大差距，問(wèn)題在于國(guó)內(nèi)的光伏工程和市場(chǎng)上光伏產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、安裝、使用很不合理。

1.2 長(zhǎng)距離輸水工程用電負(fù)荷特點(diǎn)

長(zhǎng)距離輸水工程用電，除提水泵站外，用電節(jié)點(diǎn)數(shù)量更多的是流量調(diào)節(jié)閥、檢修閥、水位信號(hào)、壓力信號(hào)、流量信號(hào)、溫度信號(hào)，長(zhǎng)距離輸水洞內(nèi)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的變形、位移、滲漏的信號(hào)采集，后臺(tái)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)及視頻系統(tǒng)等。

流量調(diào)節(jié)閥及檢修閥為短時(shí)工作制。流量調(diào)節(jié)閥只控制水池水位在一定范圍內(nèi)，水位與流量之間本身就有自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，故流量調(diào)節(jié)閥不會(huì)連續(xù)工作；對(duì)一般中小型工程而言，流量調(diào)節(jié)閥的電機(jī)功率大都在2.0～5.5 kW之間，屬小型用電負(fù)荷；而檢修閥只有在事故時(shí)才進(jìn)行關(guān)閥工作，用電負(fù)荷也都在5.5 kW以下，屬短時(shí)工作制。

水位信號(hào)、壓力信號(hào)、流量信號(hào)、溫度、變形、位移、滲漏等信號(hào)的采集，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)及視頻系統(tǒng)，雖然是連續(xù)工作制，其實(shí)際用電負(fù)荷大致在1 kW以下，有的只有幾十瓦。

長(zhǎng)距離輸水線路用電設(shè)備的特點(diǎn)是，連續(xù)用電（如攝像頭、壓力信號(hào)計(jì)、水位信號(hào)計(jì)及控制設(shè)備等）負(fù)荷小，短時(shí)工作設(shè)備（如調(diào)流閥調(diào)節(jié)開(kāi)度、檢修閥關(guān)閥等）的用電負(fù)荷多在5.5 kW以下，且用電時(shí)間很短，可采用光伏太陽(yáng)能發(fā)電。

2 閥及控制系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析

方案一：管線調(diào)節(jié)閥采用農(nóng)網(wǎng)供電可靠性較低，供水主管線上的流量調(diào)節(jié)閥一旦失電，將使整個(gè)供水工程無(wú)法正常工作，采用雙電源供電為宜。采用10 kV網(wǎng)電做為主電源，另設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組為備用電源。

10 kV架空線路20～30萬(wàn)元/km，用電線路平均3 km，每公里每年的維護(hù)費(fèi)用約0.5萬(wàn)元。網(wǎng)電供電的高壓變壓器柜12萬(wàn)元，10 kV架空線路每公里市場(chǎng)價(jià)按25萬(wàn)元計(jì)，每公里架空線路每年維護(hù)費(fèi)用按0.5萬(wàn)元計(jì)，每10年費(fèi)用統(tǒng)計(jì)見(jiàn)下表1。

表1 網(wǎng)電投資、維護(hù)價(jià)格表

方案二：采用光伏太陽(yáng)能發(fā)電作為供電主電源，選用柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。

30 kW EPS光伏太陽(yáng)能發(fā)電配置：

光伏組件功用，將光能轉(zhuǎn)換為直流電能。最佳工作電壓36.4V、電流8.52A、8串、總電壓291.2 V、總功率2 480 W。

216 V DC（150A）系列光伏控制器功用，輸出216 V直流電給EPS，同時(shí)給蓄電池充電。

膠體蓄電池功用，儲(chǔ)存電能同時(shí)供電給EPS。

EPS功用，優(yōu)先使用太陽(yáng)能供電，光照不足或陰雨天使用蓄電池供電，蓄電池達(dá)到保護(hù)電壓時(shí)，切換到備用電源。

電池柜功用，放置蓄電池。

表2 30kW的EPS配置價(jià)格表

上表為一套30 kW EPS電源價(jià)格，加上防雷、防盜等總投資約20萬(wàn)元；10 kW、15 kW、20 kW的EPS電源價(jià)格依次為12萬(wàn)、14萬(wàn)、16萬(wàn)元。30 kW的EPS電源是按5.5 kW的閥電機(jī)確定的，2.0 kW的電機(jī)選用10 kW的EPS電源就夠了；每5年更換一次電池，每套增加2萬(wàn)元左右。

根據(jù)以上兩方案分析比較，采用太陽(yáng)能供電，一個(gè)閥室僅電源一項(xiàng)就節(jié)省90萬(wàn)元左右。東山供水工程和辛安泉供水工程，都設(shè)有50多個(gè)閥及近10個(gè)輸水洞，采用太陽(yáng)能供電，一個(gè)工程節(jié)省5 000多萬(wàn)元，若每個(gè)地區(qū)有4~5個(gè)東山供水這樣規(guī)模的工程，一個(gè)省的水利工程投資就節(jié)約15個(gè)億。

以上分析是基于鼠籠電機(jī)考慮，起動(dòng)電流按額定電流的7倍計(jì)算；若采用繞線電機(jī)，起動(dòng)電流為額定電流的3倍以下，電機(jī)造價(jià)提高30%，投資增加1 000～2 000元，而EPS電源的容量就可減小50%，造價(jià)減少40%，節(jié)省的投資會(huì)更多。

根據(jù)上述分析比較，采用太陽(yáng)能供電節(jié)省投資、減少污染，利國(guó)利民，值得大力推廣。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)水庫(kù)數(shù)量巨大，水庫(kù)泄洪閘門(mén)的用電負(fù)荷要比閥門(mén)大得多。大多水庫(kù)多年不會(huì)泄洪，水庫(kù)大壩的變壓器常年空載，僅提供水庫(kù)照明、樞紐控制系統(tǒng)用電。如果水庫(kù)照明、樞紐控制系統(tǒng)采用光伏太陽(yáng)能供電，只在汛期泄洪時(shí)，才控制變壓器帶電，開(kāi)啟閘門(mén)泄洪，避免變壓器長(zhǎng)期帶電，以減少電力耗損。

人類社會(huì)進(jìn)入21世紀(jì)，正面臨著化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染的嚴(yán)重局面。廉價(jià)的石油時(shí)代已經(jīng)結(jié)束，逐步改變能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路，已逐漸成為人們的共識(shí)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電由于具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)正在飛速發(fā)展，其應(yīng)用規(guī)模和領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，從原來(lái)只在偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)和特殊用電場(chǎng)合使用，發(fā)展到城市并網(wǎng)系統(tǒng)和大型光伏電站。盡管目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中占比微不足道，但是隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，其份額將會(huì)逐步增加。

TK323

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1004-7042（2017）11-0028-02

陸建華（1960-），男，1982年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)控制系電氣工程專業(yè)，高級(jí)工程師。

2017-09-08；

2017-10-16