光伏水泵系統(tǒng)在西藏的設(shè)計(jì)與安裝

劉 威，羅紅英，余 強(qiáng)，白 軍

(1.西藏大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.九江海天設(shè)備制造有限公司，江西 九江 332100)

光伏水泵系統(tǒng)在西藏的設(shè)計(jì)與安裝

劉 威1，羅紅英1，余 強(qiáng)2，白 軍1

(1.西藏大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.九江海天設(shè)備制造有限公司，江西 九江 332100)

在光伏提水系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用提前下，結(jié)合西藏豐富太陽能、水能資源，以工布江達(dá)縣同果寺2 160 W光伏提水系統(tǒng)為例，闡述了水泵、太陽能組件、SPC控制器、電氣與水位傳感器等的選型設(shè)計(jì)與安裝方法，為光伏提水技術(shù)在西藏推廣應(yīng)用提供了理論參考。

光伏提水系統(tǒng)；西藏；直流水泵；設(shè)計(jì)與安裝；2.1 kW

0 引 言

光伏水泵系統(tǒng)是直接利用太陽能電池光生伏特效應(yīng)發(fā)電之后,通過一系列電力電子、電機(jī)、水泵等控制及執(zhí)行環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)在江河湖泊或深井中提水的系統(tǒng),該系統(tǒng)是光、機(jī)、電、控制技術(shù)等多學(xué)科交叉、結(jié)合的體現(xiàn)[1]。光伏提水系統(tǒng)的一次性投入較大，但它具有環(huán)保無污染、無須管理、長久經(jīng)濟(jì)效益高，以及成本逐年遞減、效益逐漸提高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。

1 概述

西藏水力資源理論蘊(yùn)藏量居全國首位，其中地表水年徑流量4 394億m3，地下水年徑流量977億m3，冰川儲量約3 000億m3。西藏的太陽年平均輻射達(dá)3 300～4 800 MJ/m2，全區(qū)年均總輻射量5 850～8 400 MJ/m2[2]，日照6小時(shí)以上的年平均天數(shù)在275～300 d[3]?？傊?，西藏具有較好的太陽能資源與水利資源，這為推廣使用光伏提水技術(shù)提供了良好的基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[4]對日喀則灌溉示范區(qū)的光伏水泵的運(yùn)行進(jìn)行了研究，表明西藏推廣光伏提水技術(shù)十分可行；并以西藏獅泉河年日照數(shù)3 554.7 h，按年日照時(shí)數(shù)的60%為額定工作時(shí)數(shù)，對光伏提水費(fèi)用進(jìn)行了計(jì)算，表明藏區(qū)光伏提水的費(fèi)用為0.22元/m3，費(fèi)用相當(dāng)?shù)土Ｎ覅^(qū)藏牧民大多居住在高海拔地區(qū)、分布零散，供水供電困難，如能引用光伏提水技術(shù)，勢必能很好解決農(nóng)牧民的生活用水、用電等難題。

2 工程概況

光伏提水系統(tǒng)安放在西藏林芝地區(qū)工布江達(dá)縣娘浦鄉(xiāng)同果寺。同果寺位于娘蒲鄉(xiāng)同吉村，地理位置在經(jīng)度93°04′，緯度30°16′處，距離工布江達(dá)縣67公里，鄉(xiāng)政府11 km，海拔4 030 m。寺廟占地面積415.8 m2，建筑面積262.76 m2，全寺僧尼共有4人，其中1人在編，僧尼生活困難。由工布江達(dá)縣太陽總輻射圖[5]可知，工布江達(dá)縣城年太陽總輻射為4 539 MJ/m2，年內(nèi)變化呈單峰形，5月份最大，為546.1 MJ/m2；12月份最小,為212.6 MJ/m2。春季最大，為1 422.2 MJ/m2；冬季最小，為728.3 MJ/m2。同果寺位于工布江達(dá)縣太陽能資源較豐富區(qū)，為光伏水泵系統(tǒng)提供了良好的太陽能資源。

同果寺光伏水泵系統(tǒng)工程平面效果圖，如圖1所示。山底河流與山頂寺廟之間的垂直高度為84 m，取水處與山頂蓄水池的水平距離45 m，山上蓄水池長×寬×高=1.5 m×1.3 m×1.2 m(庫容2.34 m3)。其發(fā)電量主要供給寺廟4～5個(gè)僧人的生活用水，以及佛堂的照明等。據(jù)實(shí)測統(tǒng)計(jì)，該寺廟的日均用電10～12 kW·h，日均用水量1～1.1 m3，且冬季河道水流較小。因此，以平均每天6 h為有效發(fā)電時(shí)間，初步估算可取2 kW光伏電站和100 m揚(yáng)程的潛水泵，光伏電站一部分電能給潛水泵使用。

圖1 工程平面效果圖

3 光伏提水系統(tǒng)

光伏水泵揚(yáng)水系統(tǒng)主要由：光伏陣列、太陽能水泵控制器、水位傳感器、水泵及相應(yīng)的連接管路和線纜組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。其工作原理為：太陽能光伏陣列吸收太陽能發(fā)電供水泵取水工作，由控制器進(jìn)行電壓、電流等電路參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制，水泵提取的水由水管運(yùn)輸?shù)叫钏毓┥钣盟?；此外，電站還直接通過電纜與寺廟電閘相連供給寺廟生活用電。

圖2 光伏水泵系統(tǒng)示意圖

水泵的選型設(shè)計(jì)可以依據(jù)實(shí)際工程概況來進(jìn)行估算選取。由寺廟的用水情況，可取平均流量為1 m3的小流量水泵，初定水泵的綜合效率為0.9，那么可計(jì)算出水泵的出力，即P=9.81QHη=9.81×1×84×0.9=741.64W。根據(jù)該數(shù)值對照水泵功率表，可以選擇出力P=750W的水泵。確定水泵的功率后，可以根據(jù)實(shí)際日用水量及蓄水情況，選擇Q=1.8m3小流量的直流水泵。綜上，選擇了DY-SPC系列光伏水泵揚(yáng)水系統(tǒng)。

水泵安裝(如圖3所示)，具體安裝步驟如下：

圖3 裝吊鋼絲繩安裝圖4陣列式太陽能支架

(1)準(zhǔn)備扭成兩股、長為3～4m的鋼絲繩，穿過水泵上的吊裝孔并用鋼絲繩夾頭固定拴住水泵，用長約4～5m扭成兩股的鋼絲繩拴住另一吊裝孔。

(2)將防水芯電纜線頭與水泵的引出線分別穿過防水接線盒的防水接頭并對接好，再將引出線上的U、V、W三相標(biāo)識在對接好的防水電纜上重新標(biāo)識。

(3)準(zhǔn)備長約120～150m、抗壓強(qiáng)度為10MPa的PVC水管，利用熱熔機(jī)將管路與水泵出水口連接好。

(4)將探針式水位傳感器或浮球式水位傳感器連接線延長至合適的長度，水下接頭的處理可參照水泵連接線的處理方法。

(5)將水位傳感器連接電纜與水泵電機(jī)連接電纜每隔一定距離用束線帶捆扎在管路上。

(6)將水泵和管路豎起，通過鋼絲繩吊拉緩慢放入河邊水井里，當(dāng)水泵下放到合適的高度后將鋼絲繩固定到水井上部橫梁鋼筋上。其中，水井采用淺層滲流技術(shù)引水，井深4m。

(7)最后，將地面的供水管路架設(shè)好后，與水泵出水管路連接好，完成水泵安裝，如圖4所示。

圖4 陣列式太陽能支架

4 太陽能組件

隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，單塊電池板的發(fā)電轉(zhuǎn)化效率在不斷增大，且在市場上的應(yīng)用也越來越多。由于水泵加上寺廟照明功率在2kW左右，所以選用光伏陣列為單板功率270W，8塊并聯(lián)，總功率為2 160W，具體參數(shù)見表1。

表1 太陽能電池板推薦配置表

太陽能電池板安裝采用陣列式太陽能支架，如圖5所示。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際經(jīng)緯度，通過查表和實(shí)際地理情況結(jié)合計(jì)算出準(zhǔn)確的水平安裝方向和仰角，然后按照這些參數(shù)進(jìn)行安裝，參數(shù)(主要參數(shù)是太陽高度角α與太陽方位角γs)計(jì)算可參照公式(1)-(2)。簡易安裝時(shí)，先調(diào)整太陽能板受光面水平方向正對中午時(shí)分太陽的方向，再調(diào)整仰角使(中午時(shí)的)太陽光線與太陽能電池板受光面垂直。

sinα=sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cosω

(1)

(2)

5 SPC控制器

5.1 SPC控制器參數(shù)

SPC控制器是對光伏電站充/放電、輸入/輸出控制的核心部件，其安裝尺寸見表2，電氣參數(shù)見表3。

表2 DY-SPC系列控制器安裝尺寸

5.2 DY-SPC系列控制器安裝

(1)控制器安裝環(huán)境要求如下

a.環(huán)境溫度：周圍環(huán)境溫度對控制器壽命影響很大，不允許控制器的運(yùn)行環(huán)境溫度超過允許溫度范圍(-10～50 ℃)；

b.控制器需要垂直安裝，周圍要有足夠的空間散熱；

c.請安裝在不易振動的地方，振動應(yīng)不大于0.6G；

d.避免安裝于陽光直射、潮濕、有水珠的地方；

e.避免安裝于空氣有腐蝕性、易燃性、易爆性氣體的場所；

f.避免安裝在有油污、多灰塵、多金屬粉塵的場所。

(2)控制器安裝

將控制器安裝在立柱式的太陽能支架上，如圖5所示。

圖5 控制器的安裝

6 電氣安裝指導(dǎo)

6.1 電纜選型指導(dǎo)

系統(tǒng)各電氣連接件的電纜線因?qū)Я饔绊懜鞑幌嗤唧w線粗的選擇見表4。

表4 電纜線選型參考表

6.2 接線示意圖

DY-SPC系列光伏水泵控制器帶充電功能機(jī)型接線情況，如圖6所示。

圖6 帶充電功能機(jī)型接線示意圖

7 水位傳感器安裝指導(dǎo)

控制器可以接通道水位傳感器，即水源(河流)水位傳感器和水滿水位傳感器。水源水位傳感器用于檢測水源是否被抽干，防止水泵無水空轉(zhuǎn)而損壞。水滿水位傳感器，用于檢測水泵抽灌的高處蓄水池或水塔是否注滿水，防止水溢出浪費(fèi)。

(1)水源水位傳感器安裝：采用探針式水位傳感器接線方式，如圖7所示。注意：防干打保護(hù)水位要高于水泵出水口，防干打保護(hù)水位到恢復(fù)啟動水位之間的水容量應(yīng)大于水泵5min內(nèi)提升的水容量。

(2)水滿水位傳感器安裝：采用浮球式水位傳感器接線方式，如圖8所示。

圖7 水源處采用探針式水位傳感器接線方式

圖8 采用浮球式水滿水位傳感器接線方式

8 水下接線指導(dǎo)

水泵及水位傳感器附帶的線纜通常較短不能滿足實(shí)際的使用需求，因此電纜線接頭浸泡在水中，接線需要做防水處理，避免發(fā)生漏電事故。連接方法：將電纜線頭與水泵的引出線分別穿過防水接線盒的防水接頭并去皮對接好，再將引出線上的U、V、W三相標(biāo)識在對接好的防水電纜上重新標(biāo)識。對接線頭分別用電工膠帶和防水膠帶纏好做絕緣處理，再將線頭整理入防水接線盒，并將防水盒內(nèi)部空間注滿防水硅膠，如圖9所示連接和處理。

圖9 電機(jī)引線與電纜對接示意圖

9 結(jié)束語

文中以實(shí)際項(xiàng)目中主要參數(shù)為實(shí)際輸入量，介紹了西藏工布江達(dá)縣某寺廟的光伏提水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝，詳述了水泵、光伏電站、電氣部分、傳感器部分等主要部件的選型、安裝與連接方法，通過文中分析可為光伏提水技術(shù)在西藏的設(shè)計(jì)、安裝以及推廣使用提供理論依據(jù)與實(shí)踐基礎(chǔ)。西藏地區(qū)應(yīng)當(dāng)充分利用優(yōu)勢資源，大力推廣示范光伏提水系統(tǒng)，著重該技術(shù)對灌溉區(qū)、農(nóng)牧區(qū)、高山居住等特殊地形的推廣使用，以低成本、高效率的方式有效解決群眾生活用水、用電等問題。

[1] 蘇建徽. 光伏水泵系統(tǒng)及其控制的研究[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué),2003.

[2] 劉 威,羅紅英,余 強(qiáng),等. 西藏新能源開發(fā)利用現(xiàn)狀分析與對策[J]. 水電與新能源,2015(5):76-78.

[3] 杜恩社. 西藏太陽能利用現(xiàn)狀及對策[J]. 西藏科技,2001(9):54-58.

[4] 羅紅英,崔遠(yuǎn)來,陳 堅(jiān),等. 光伏提水技術(shù)在西藏的推廣前景[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2011(11):276-280.

[5] 杜 軍，楊志剛，劉建棟著.西藏自治區(qū)太陽能資源區(qū)劃[M].北京:氣象出版社,2011,12.

Design and Installation of Photovoltaic Water Pumping System in Tibet

LIU Wei1，LUO Hong-ying1，YU Qiang2，BAI Jun1

(1.Agriculture and Animal Husbandry College of Tibet University, Linzhi 860000, Tibet, China；2.Jiujiang Haitian Equipment Manufacturing Co. Ltd., Jiujiang 332100, Jiangxi Province, China)

With the photovoltaic water system has been widely application in advance, combined with the rich solar energy and hydro energy resources in Tibet, used GongBuJiangDa county with Tongguo temple 2 160 W photovoltaic provided water system as an example, expounded the selection of pumps, solar modules, SPC control, electrical and water level sensor design and installation method. This paper promote the application provides theoretical reference for the photovoltaic provided water technology in Tibet.

Photovoltaic water pumping system; Tibet new energy; DC pump; Design and installation; 2.1 kW

2015-06-25

2015-07-15

國家農(nóng)業(yè)部西藏新能源開發(fā)利用生態(tài)村示范建設(shè)項(xiàng)目(2130126)；西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(YJS2015-04)；西藏自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510694012)；西藏自治區(qū)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目(高原水利發(fā)電實(shí)驗(yàn)室)

劉 威(1990-)，男，湖北潛江人，碩士生，主要從事高原水利機(jī)械及新能源工程研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.08.012

TK513

B

1009-3230(2015)08-0045-05