太陽能光伏發(fā)電供水系統(tǒng)在黃土高原的應(yīng)用

任育才，周 毅

（1.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢430010；2.武漢大學(xué)，湖北 武漢430072）

1 引言

我國(guó)西北的黃土高原，屬于干旱貧瘠的土地，年降雨量?jī)H400mm，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本靠天收成，個(gè)別地區(qū)人畜飲水都是問題。如何解決好這些地區(qū)水的問題，是當(dāng)前一個(gè)重要課題。近些年新興的太陽能光伏發(fā)電，是解決輸水動(dòng)力的一個(gè)有效手段。通過小規(guī)模光伏發(fā)電供水系統(tǒng)的生產(chǎn)性試用，逐步總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)，便于較大規(guī)模的推廣。

早期開發(fā)太陽能光伏的是歐美國(guó)家和日本。自1969年世界上第一座太陽能電站在法國(guó)建成，太陽能發(fā)電的比例在歐美國(guó)家逐漸提高，光伏技術(shù)也在不斷發(fā)展。其中，歐盟是世界上光伏發(fā)電量最大的地區(qū)，到2008年，該區(qū)域占全球光伏發(fā)電量的80%。

我國(guó)是太陽能資源豐富的國(guó)家之一，有76%的國(guó)土光照充沛，光能資源分布較為均勻，并有荒漠108萬km2，主要分布在光照資源豐富的西北地區(qū)。太陽能作為清潔、安全可靠、永不枯竭的新能源，近些年在我國(guó)也有了較快的發(fā)展。

2 黃土高原水資源開發(fā)與利用分析

我國(guó)黃土高原主要位于甘肅東北部、寧夏南部、陜西北部及山西的西部地區(qū)。這些地區(qū)經(jīng)過幾百萬年的雨水的沖刷，把黃土高原切割成了縱橫的溝壑、墚、塬、峁并存的特有地貌特征。這些地區(qū)屬于暖溫帶，半干旱季風(fēng)氣候，年降雨量一般在400～600mm，年日照時(shí)間約為2400～2500h。該地區(qū)降雨主要集中在夏秋季節(jié)，冬季少雪，春季基本無雨，可謂春雨貴如油。這個(gè)季節(jié)，正是冬春農(nóng)作物需水季節(jié)，但此時(shí)卻很少降水，只有溝壑底部有些小溪流，要想灌溉，就需從溝底將水抽至塬上方可進(jìn)行。在干旱年份，如遇上春夏連旱，不但農(nóng)作物會(huì)欠收或絕收，就連農(nóng)民吃水都成為一大問題。因此，解決這些地區(qū)水的問題，是一個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。

一般情況下，在該地區(qū)水源與用水點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，或者用水點(diǎn)高程高于水源水位80～100m，必須依靠水泵加壓輸送?，F(xiàn)階段這些區(qū)域因經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人口、工礦企業(yè)比較分散等條件受限，很多區(qū)塊沒有布置市電，所以，需要用獨(dú)立發(fā)電設(shè)備（柴油機(jī)或用光伏發(fā)電系統(tǒng)）帶動(dòng)水泵抽水。

光伏系統(tǒng)是近些年發(fā)展起來的綠色新能源，在西北黃土高原地區(qū)應(yīng)用有著下列優(yōu)勢(shì)：符合國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略要求。節(jié)能減排是我們的國(guó)家戰(zhàn)略，光伏系統(tǒng)是典型的清潔能源，在不增加廢棄物排放量的前提下，有利于開發(fā)利用了該地區(qū)的水資源；這些地區(qū)年日照時(shí)間約為2400～2500h，利于光伏系統(tǒng)的應(yīng)用；價(jià)格有不斷下降的趨勢(shì)，在5年前的光伏板價(jià)格是現(xiàn)在價(jià)格6倍。一塊國(guó)產(chǎn)200W 的光伏板現(xiàn)價(jià)550元，這也給它的應(yīng)用提供了現(xiàn)實(shí)可能，而且今后如果需要擴(kuò)大使用規(guī)模，單位成本也將更低；獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，這些地區(qū)多是峁頭、墚地，基本比較偏遠(yuǎn)，很多地點(diǎn)沒通市電，拉專線成本很高，用光伏系統(tǒng)就有其成本優(yōu)勢(shì)；管理簡(jiǎn)便，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，管理維護(hù)方便，體量小成本低，可大范圍推廣。同時(shí)光伏系統(tǒng)也有一定的缺點(diǎn)：獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)；與市電相比，發(fā)電成本偏高。

3 案例分析

3.1 系統(tǒng)的工作條件概況

有一成功的工程案例用于農(nóng)業(yè)灌溉、生產(chǎn)及生活。它位于陜西省洛川縣境內(nèi)，是黃土高原中部的一個(gè)山峁、墚地農(nóng)場(chǎng)，有平整土地50余畝，加山坡地共100余畝，抽水高差約80m。根據(jù)以上土地規(guī)模、地形高差，設(shè)計(jì)光伏供水系統(tǒng)的基本情況如下。

作為系統(tǒng)的供電部分，包括光伏板、控制器、蓄電池及逆變器等部件。它的核心部件是光伏板，8塊光伏板年發(fā)電總量大于3840kW·h。

作為系統(tǒng)供水部分，水泵抽水流量：2m3／h，揚(yáng)程：120m。這樣每天平均8h 抽水，每天可抽16m3，全年250d，抽水總量為4000m3，每畝40m3，相當(dāng)于60mm 的降雨量，用現(xiàn)代節(jié)水灌溉方式，每次10～15mm，可灌溉4～6次，基本滿足該地區(qū)農(nóng)作物冬春旱季時(shí)期的灌溉需求。夏秋季雨水相對(duì)較多，基本可滿足農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求。

3.2 光伏系統(tǒng)的輔助功能

光伏電源除滿足水泵提水外，還可滿足噴灌系統(tǒng)供電，噴灌山坡草地。另有一個(gè)功能就是，給農(nóng)場(chǎng)提供生活用電及用水，養(yǎng)豬場(chǎng)每月可用60m3水，飲用水從蓄水池抽至室內(nèi)蓄水箱，經(jīng)過濾器過濾后供生活飲用。該系統(tǒng)可滿足一臺(tái)電腦，一臺(tái)電視、冰箱及照明需求，總負(fù)荷約1000W。

4 太陽能光伏發(fā)電供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 可選用電力系統(tǒng)比選

各種電力系統(tǒng)比較詳表1。

表1 電力系統(tǒng)財(cái)務(wù)比較表

通過表1的綜合分析，市電增容費(fèi)太高，不可采用；光伏與柴油發(fā)電10年的綜合費(fèi)用比較，光伏為12600元，柴油發(fā)電為13440元。由此看來光伏發(fā)電比柴油發(fā)電有綜合價(jià)格優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，光伏發(fā)電有管理方便、綠色無污染的優(yōu)點(diǎn)，因此，光伏是發(fā)電系統(tǒng)的首選。

4.2 光伏發(fā)電供水系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

4.2.1 光伏發(fā)電的原理

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池，太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏供水系統(tǒng)工藝框圖如圖1。

圖1 光伏發(fā)電供水系統(tǒng)

4.2.2 光伏發(fā)電設(shè)備

（1）光伏板。光伏板是發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的產(chǎn)品規(guī)格，選擇了200W 的光伏板。外框裙邊尺寸：1580mm×808mm×45mm。輸出功率：200W；輸出電壓：36.0V；峰值電流：5.55A，開路電壓：43.5V；短路電流：5.85A。

（2）控制器是光伏系統(tǒng)充放電的控制設(shè)備。系統(tǒng)電壓：24V；系統(tǒng)電流：80A；空載損耗：20mA；光伏板輸入電壓：55V；超壓保護(hù)：33V；均衡充電電壓：29.2V；工作溫度：-25C°～＋60C°。

（3）蓄電池。采用免維護(hù)鉛酸蓄電池，12V-100A電池4個(gè)，每組兩個(gè)串聯(lián)，兩組并聯(lián)使用，系統(tǒng)直流電壓：24V。

（4）逆變器。主要功能是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。額定輸入電壓：DC-24V；輸出電壓：AC-220V；額定功率：4000W；空載電流：1.3A；工作環(huán)境：-10C°～＋50C°。

4.2.3 供水設(shè)備

（1）水泵選擇及參數(shù)。水泵是供水系統(tǒng)的核心設(shè)備，目前市場(chǎng)上可供選擇的水泵為多級(jí)潛水泵、多級(jí)離心泵及螺桿泵。系統(tǒng)要求，該水泵為小功率、小流量、高揚(yáng)程，根據(jù)這些特點(diǎn)，多級(jí)潛水泵及離心泵的功率、流量普遍偏大，揚(yáng)程偏小。通過3種泵的比較，螺桿泵特點(diǎn)為楊程高，流量小，功率較小，符合要求。參數(shù)為：流量Q＝2.0m2／h；揚(yáng)程H＝120m；功率P＝750W；電流I＝5.2A；電壓：220V。

（2）提升管道。根據(jù)設(shè)計(jì)流量、壓力、防腐要求及使用條件，系統(tǒng)選擇了DN25鍍鋅鋼管，管長(zhǎng)250m。管道水力參數(shù)為：Q＝2.0m2／h，i＝0.175，v＝1.16m／s。

4.3 投資預(yù)算及投資效益

投資預(yù)算詳表2。

表2 投資預(yù)算表

由上表顯示，該系統(tǒng)總投資為20000元，每年抽水4000m3，可滿足農(nóng)場(chǎng)100 畝土地灌溉需求。其中該農(nóng)場(chǎng)中有10畝蘋果園，原來由于是旱地，畝產(chǎn)只有3500多斤，灌溉后會(huì)增收500kg，按2013年當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)較低出園價(jià)1 元／kg計(jì)，每 畝 增 收2000 元，10 畝 共 計(jì)20000元，當(dāng)年即可收回建造成本。至于農(nóng)業(yè)水資源費(fèi)，現(xiàn)行國(guó)家規(guī)定，限額內(nèi)免費(fèi)，限額外按標(biāo)準(zhǔn)0.002元／m3收取，4000m3為8元，則可忽略不計(jì)。這只是農(nóng)場(chǎng)的部分凈收益，隨著農(nóng)場(chǎng)各種經(jīng)濟(jì)實(shí)體的不斷完善，經(jīng)測(cè)算，由此所帶來的整體效益至少增加30%以上。

4.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)

（1）對(duì)于光伏供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)場(chǎng)的需水量與現(xiàn)有市場(chǎng)設(shè)備的選用匹配，既要滿足需要，又要經(jīng)濟(jì)可靠，是一個(gè)很麻煩的問題。例如：光伏板選多大，多少塊合理，由于無規(guī)范，都要經(jīng)過計(jì)算和測(cè)算相結(jié)合的方式確定；又如：市場(chǎng)上高揚(yáng)程小流量的水泵非常難找，經(jīng)反復(fù)比選，最后選擇了工程中不常用的小型螺桿泵。

（2）由于溝底距塬頂自然高差80m，水泵揚(yáng)程為120m，在水泵突然停電的情況下，則會(huì)產(chǎn)生水錘，易使管道破裂。為了防止水錘的發(fā)生，在選擇管道時(shí)，著重對(duì)管材進(jìn)行比選。目前，可供選擇的管材為PE 管和鍍鋅鋼管，經(jīng)比選采用了鍍鋅鋼管，它具有耐壓等級(jí)高，使用壽命長(zhǎng)，系統(tǒng)安全的優(yōu)點(diǎn)。為了使系統(tǒng)更安全，在供水管的下端處，加裝了安全閥。

（3）由于螺桿泵對(duì)泥沙的敏感度很強(qiáng)，水中含砂極易造成泵軸的磨損，縮短壽命。所以，取水頭部的設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)水濁度要求很高，應(yīng)達(dá)到10°以下。既要保證低濁度，又要保證長(zhǎng)期不堵塞，這是系統(tǒng)的一個(gè)主要控制點(diǎn)，詳見圖2。

圖2 取水頭部設(shè)計(jì)

（4）由于黃土高原位于西北，案例所在地冬季較為寒冷，一月份平均氣溫約為-6.7°C，極端氣溫為-25.4°C，最大凍土深度為750mm。所以，為了防凍，管道必須埋設(shè)于800mm 以下，同時(shí)還要對(duì)取水頭部作加厚覆土的防護(hù)處理。

4.5 運(yùn)行效果

該系統(tǒng)建成后，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)既滿足了農(nóng)田灌溉，也滿足了日常生活需求。在農(nóng)場(chǎng)里呈現(xiàn)出果樹經(jīng)濟(jì)林、農(nóng)作物、牧草、養(yǎng)豬場(chǎng)及沼氣池的各種經(jīng)濟(jì)形態(tài)，形成了一套以水為紐帶，功能齊全而完整的循環(huán)經(jīng)濟(jì)鏈。

5 結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電供水系統(tǒng)，在西北黃土高原偏遠(yuǎn)地區(qū)的實(shí)施，對(duì)解決農(nóng)業(yè)灌溉、生活用水是個(gè)有效手段。通過一個(gè)具體工程案例的實(shí)施，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、設(shè)備組成及主要參數(shù)，并進(jìn)行了簡(jiǎn)要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。采用了節(jié)水灌溉的方式，有效節(jié)約了寶貴的水資源。用種草植樹改變植被的方法，對(duì)小流域綜合治理而抑制水土流失，起到了積極作用。同時(shí)，農(nóng)戶發(fā)展多種經(jīng)營(yíng)，增加了穩(wěn)定收入，它既有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也產(chǎn)生了良好地社會(huì)效益。因此，光伏供水系統(tǒng)在該地區(qū)有著廣泛而重要的推廣價(jià)值。

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