光伏提水工程技術(shù)設(shè)計(jì)初探

程榮香 張瑞強(qiáng)

（中國水科院 牧區(qū)水科所，呼和浩特 010010）

隨著建設(shè)社會主義新農(nóng)村的需求，光伏提水業(yè)近年來得到了迅速發(fā)展，它對解決人畜供水和農(nóng)牧業(yè)灌溉問題起到了較大的作用。但因在光伏提水工程建設(shè)過程中沒有可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，工程建設(shè)的隨意性大，使光伏提水系統(tǒng)利用率低、效益差，系統(tǒng)功能不能全部發(fā)揮。本文將根據(jù)多年光伏提水工程的建設(shè)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，依次介紹光伏提水工程的各個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對每個環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、技術(shù)要求和指標(biāo)的確定進(jìn)行闡述，為今后光伏提水工程的建設(shè)提供一個科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。

1 光伏提水工程的選址

光伏提水工程建設(shè)地點(diǎn)選擇應(yīng)具備相應(yīng)的條件：有穩(wěn)定、可靠的太陽能資源；50年一遇的最大風(fēng)速不大于50m／s；有適宜的水源條件。

1.1 太陽能資源條件

對工程建設(shè)地點(diǎn)進(jìn)行不少于一年的太陽能資源資料測量，并取得距離建設(shè)點(diǎn)最近的相應(yīng)參證氣象站的同期資料。滿足下列條件的地區(qū)，認(rèn)為適合建設(shè)光伏提水工程。

（1）條件一、年平均太陽總輻射量不小于1400kW·h／ （m2·a）。

（2）條件二、全年太陽能年平均日照小時數(shù)不小于2200h。

（3）太陽輻射量年變化和日變化、各月太陽輻射量日變化：用太陽輻射量年變化和日變化、各月太陽輻射量日變化與同期負(fù)荷的變化曲線對比，兩者相一致或接近的部分越多越好。

1.2 水源條件

光伏提水工程建設(shè)前，應(yīng)對建設(shè)地點(diǎn)進(jìn)行水資源的勘察評價，對水源水質(zhì)和水量提出相應(yīng)要求。

（1）光伏提水工程的水源水一般為清水，如河水、湖水、池塘水、井水等。水的溫度不高于40℃；固體物質(zhì)含量 （按質(zhì)量計(jì)）不大于0.01%，粒徑不大于0.2mm。

（2）選用地下水源時，其允許開采量應(yīng)大于取水量，保證水源的可持續(xù)性；選用地表水源時，其設(shè)計(jì)枯水流量的年保證率不宜低于90%。當(dāng)單一水源水量不能滿足要求時，可采用多水源或調(diào)蓄水等措施。

（3）水源的供水能力應(yīng)大于水泵的流量。

2 光伏提水工程設(shè)計(jì)

2.1 光伏提水工程總體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素

（1）光伏提水泵站周圍不應(yīng)有影響光伏發(fā)電的遮陽障礙物。

（2）供水蓄水池應(yīng)具備重力供水條件，應(yīng)有一定的容積，保證連續(xù)陰天泵站不提水的情況下仍能正常供水。

（3）在泵站取水處要預(yù)留放置其它取水器所需的空間。

（4）系統(tǒng)應(yīng)有放水裝置，以免冬季凍壞水管等設(shè)備。

（5）在光伏陣列、控制室、水源口、蓄水池處應(yīng)設(shè)有安全防護(hù)設(shè)施和警示標(biāo)志。

（6）輸水管線不應(yīng)有較大的起伏，穿越不良地質(zhì)、地段時應(yīng)采用相應(yīng)的技術(shù)措施。輸水管線接口處不應(yīng)有明顯的滲漏。

2.2 光伏提水工程技術(shù)要求

（1）光伏提水泵設(shè)施能在－20℃～＋60℃的條件下正常工作。

（2）在光伏組件安裝的區(qū)域內(nèi)，地基應(yīng)有相應(yīng)的承載力，避開沼澤、灘涂、流沙。

（3）蓄水池最低點(diǎn)的水頭應(yīng)能滿足最不利用戶用水終端的水頭要求。

（4）容量大于2kW的光伏提水泵站的控制器應(yīng)有欠壓、過載等電子自動保護(hù)功能。

（5）光伏提水泵站的出水口處應(yīng)有消能和防沖刷裝置。

（6）要求冬季作業(yè)的光伏提水系統(tǒng)，輸水管線應(yīng)埋設(shè)在凍層以下，或采取相應(yīng)的其他防凍措施，管道上安裝閥門處應(yīng)建閥門井。

3 光伏提水機(jī)組的選型

光伏提水機(jī)組類型應(yīng)依據(jù)工程用途、太陽能資源條件、提水流量及揚(yáng)程等來選擇。

流量大于10m3／h的提水機(jī)組或水中含沙量大的宜優(yōu)先選用離心泵提水機(jī)組；流量小于10m3／h時宜選用高揚(yáng)程、小流量容積泵提水機(jī)組。

4 泵站相關(guān)參數(shù)的確定

4.1 系統(tǒng)揚(yáng)程的確定

光伏提水泵站總揚(yáng)程是指光伏提水系統(tǒng)在夏季為9～17h，冬季為10～15h抽取的水量與水源供給的水量處于平衡時，水源此時的動水位到出水口中心的高差與輸水管道的阻力之和。按公式 （1）計(jì)算：

式中：H——水泵的總揚(yáng)程，m；

H1——動水位到最不利用水終端的高差，m；

H2——蓄水池底部到最不利用水終端的高差，一般取2m～3m；

H3——蓄水池深度，m；

△H——總水頭損失，m。

4.2 系統(tǒng)日提水量的確定

系統(tǒng)日提水量為系統(tǒng)在全日內(nèi)各個時間段的提水量之和，按公式 （2）計(jì)算：

式中：Qr——日提水量，m3／d；

Qi——選定機(jī)型在確定的揚(yáng)程下某時段太陽能資源對應(yīng)的系統(tǒng)流量，m3／h；

tq—— 一天內(nèi)系統(tǒng)提水起始時間，h；

tz—— 一天內(nèi)系統(tǒng)提水終止時間，h。

5 光伏陣列的設(shè)計(jì)

5.1 光伏陣列容量的確定

光伏陣列容量可按公式 （3）計(jì)算：

式中：N——光伏陣列的容量，W；

Npf——提水系統(tǒng)峰值水功率，W；

k1——太陽能資源修正系數(shù)；

k2——光伏陣列跟蹤太陽方式修正系數(shù)。k1、k2值分別按表1和表2選取。

表1 太陽能資源修正系數(shù)k1

表2 光伏陣列跟蹤太陽方式修正系數(shù)k2

5.2 光伏陣列方位角、最佳傾角的確定

（1）方位角γ按公式（4）計(jì)算：

式中：αz——太陽高度角；

φ——當(dāng)?shù)鼐暥龋?/p>

δ——太陽赤緯角。

（2）最佳傾角的確定。根據(jù)水平面太陽總輻射量結(jié)果，計(jì)算出不同角度（10°～60°間隔1°）傾斜面上各月太陽總輻射量。比較傾斜面不同傾角的月平均太陽總輻照量計(jì)算結(jié)果，得出全年最大太陽總輻照量時對應(yīng)的傾角，即為光伏陣列最佳傾斜角。同時也適用固定安裝光伏陣列最佳傾角的計(jì)算［1］。

5.3 光伏陣列行間距的計(jì)算

行間距指前排方陣前端到后排方陣前端的距離，按公式（5）計(jì)算：

式中：Ls——行間距，m；

γ——冬至日上午9時太陽方位角；

L——組件垂直高度，m。

6 系統(tǒng)其它設(shè)計(jì)

6.1 蓄水與輸配水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蓄水與輸配水工程設(shè)計(jì)參照《風(fēng)力提水工程技術(shù)規(guī)程》（SL343－2006）中第6.4節(jié)和第6.5節(jié)的規(guī)定執(zhí)行［2］。

6.2 安全設(shè)計(jì)

在安全方面主要考慮系統(tǒng)的防雷。如果系統(tǒng)安裝在空曠野外或超出附近建筑物高度時（系統(tǒng)超過1.5倍建筑物高點(diǎn)）需做防雷設(shè)計(jì)。系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)采取《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057－1994）中第三類防雷建筑物的防雷等級。對于小型電站及低壓輸電線路只要求考慮防止雷電感應(yīng)和雷電波侵入［3］。

（1）防雷電感應(yīng)。太陽能電池方陣和控制室設(shè)備、金屬物、電纜的金屬屏蔽層要可靠接地，每個設(shè)備都要單獨(dú)接地，不允許串聯(lián)后再接到接地干線上，控制器光伏輸入端每一路均應(yīng)裝設(shè)避雷模塊。

（2）防雷電波侵入。對于低壓220V／380V在每條回路的出線和零線上裝設(shè)低壓閥型避雷器。

（3）對于容量大于5kW的光伏提水系統(tǒng)應(yīng)在系統(tǒng)5m內(nèi)架設(shè)避雷針。

6.3 節(jié)能設(shè)計(jì)

光伏提水工程建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)確保使用國家現(xiàn)行節(jié)能規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，盡量采用以下節(jié)能措施：

（1）系統(tǒng)應(yīng)集中布置，就近接入配電室。

（2）選擇合理供電電壓和供電方式。

（3）選用技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、材料優(yōu)良、結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、使用壽命長的節(jié)能型機(jī)電設(shè)備及材料。

7 結(jié) 語

一個優(yōu)質(zhì)的光伏提水工程，必須有科學(xué)合理的設(shè)計(jì)來保證。本文介紹的設(shè)計(jì)方法，為多年來從事光伏提水工程建設(shè)工作的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。在今后具體工程設(shè)計(jì)中，要因地制宜地通過科學(xué)分析和計(jì)算，才能達(dá)到光伏提水工程預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

［1］劉樹民，宏偉譯 .太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工.［日］太陽光發(fā)電協(xié)會編 .北京：科學(xué)出版社.2006

［2］風(fēng)力提水工程技術(shù)規(guī)程（SL343－2006）

［3］建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057－1994）