國內(nèi)太陽能光伏提灌站發(fā)展應(yīng)用淺析

李丹丹

摘 要：太陽能提灌站運(yùn)行費(fèi)用低、能耗低、提水效率高，具有較高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本文結(jié)合太陽能提灌站的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用原理，以實(shí)際應(yīng)用對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏提灌站；應(yīng)用

20世紀(jì)末期，國內(nèi)開展了大量關(guān)于太陽能利用技術(shù)的研究，江蘇、浙江和廣東等省在該項(xiàng)技術(shù)方面走在國家研究前列。2009年，財(cái)政部和住建部聯(lián)合頒布了《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見》，將大部分補(bǔ)貼應(yīng)用于太陽能光伏發(fā)電中，自此我國的太陽能利用技術(shù)開始進(jìn)入新的發(fā)展階段。借鑒國內(nèi)的技術(shù)研究成果，內(nèi)蒙古、青海和新疆等省大力推廣太陽能提灌。提灌站在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水方面扮演著重要的角色，在電力缺乏地區(qū)，一般很難選用電力提灌站，而太陽能提灌站則體現(xiàn)出較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有助于生活用水和灌溉用水問題的解決。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率不斷提高，高效水泵越來越完善，太陽能提灌站技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

一、太陽能提灌站概述

1.太陽能提灌站結(jié)構(gòu)和應(yīng)用原理

太陽能提灌站主要包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)和提灌系統(tǒng)，其中發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能光伏陣列、通用變頻器、光伏控制器，提灌系統(tǒng)主要為水泵機(jī)組。

太陽能光伏陣列中包含較多串聯(lián)而成的太陽能電池，實(shí)現(xiàn)太陽能向直流電的轉(zhuǎn)換。目前，國內(nèi)的太陽能電池大多為硅太陽能電池，例如單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池。該結(jié)構(gòu)中的太陽能電池并沒有線性伏安特性，最大輸出功率一般為額定功率。太陽能光伏陣列的輸出伏安特性表現(xiàn)出非線性，并且輸出功率受到太陽光輻射強(qiáng)度、溫度和天氣等條件的影響，光伏陣列的工作點(diǎn)往往會(huì)出現(xiàn)偏離，為了保證光伏水泵具有良好的工作狀態(tài)，在任何日照條件下都能輸出足夠大的功率，必須精確調(diào)節(jié)光伏電池的最大功率點(diǎn)，借助變頻器調(diào)節(jié)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，保證電源和負(fù)載之間能夠滿足高效的工作狀態(tài)，而通用變頻器將太陽能光伏輸出的直流電轉(zhuǎn)變換為交流電，為水泵機(jī)組的運(yùn)行提供足夠的動(dòng)力。光伏控制器中包含較多的數(shù)據(jù)通信接口，可以滿足不同高性能通用變頻器的適配要求，在設(shè)定工作點(diǎn)電壓控制方式的過程中，不斷優(yōu)化通訊協(xié)議，保證其與通用變頻器通訊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停。

太陽能提灌系統(tǒng)主要包括泵房、管道和進(jìn)出水建筑物，泵房?jī)?nèi)安裝有動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和水泵機(jī)組。其中水泵機(jī)組包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)，受到太陽能電池伏安特性的限制，水泵機(jī)組中應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)也會(huì)受到太陽能電池輸出電壓電流大小的影響，為了避免出現(xiàn)頻繁啟停的問題，必須保證水泵是處于高效工作狀態(tài)之中。

2.太陽能提灌站的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。偏僻的山區(qū)可能無法架設(shè)電力線纜，在建設(shè)電力提灌站方面面臨著較大的困難，選用太陽能提灌站具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的電力提灌站相比，新建的太陽能提灌站的單位投資3萬元/kw，市場(chǎng)化后會(huì)降至1.5～2.0萬元/kw，在運(yùn)行過程中也體現(xiàn)出一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，太陽能提灌站借助太陽能提水，運(yùn)行費(fèi)用主要為維護(hù)的費(fèi)用，每立方米水的維護(hù)費(fèi)用約為0.4元，而電力提灌站運(yùn)行費(fèi)用主要體現(xiàn)在電能消耗上，并且用電量會(huì)隨揚(yáng)程而增加。太陽能光伏電池的使用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)25年，而機(jī)械設(shè)備的設(shè)備年限一般為15年左右。

（2）節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。太陽能提灌站借助太陽能提水，大大節(jié)約了能源。每節(jié)約1kwh的電能，就相當(dāng)于節(jié)約了0.4kg標(biāo)準(zhǔn)的煤，就減少了0.273kg碳粉塵、0.996kg二氧化碳、0.03kg二氧化硫、0.015kg氮氧化物的排放。另外，太陽能提灌站對(duì)土地的利用效率較高，運(yùn)行管理也較為方便，高效水泵的運(yùn)用可大大提高能量的利用率。

二、太陽能提灌站應(yīng)用實(shí)例

某項(xiàng)目要求控灌面積80h㎡，實(shí)地年日照時(shí)間2920h，每天的有效日照時(shí)間約為8h。太陽能光伏陣列通過對(duì)太陽能的采集，將其轉(zhuǎn)換為直流電，再通過通用變頻器將該直流電轉(zhuǎn)換為三相50Hz幅值為380V的交流電，該交流電可以為水泵機(jī)組提供動(dòng)力，將水加壓后送入管道系統(tǒng)，水進(jìn)入較大容量的蓄水池。

結(jié)合太陽能光伏陣列的應(yīng)用效率，明確系統(tǒng)中每天消耗的能量，其中需要考慮通用變頻器的損耗。該系統(tǒng)中通用變頻器的轉(zhuǎn)換效率約為90%，在輸出功率為9.2kw的情況下，實(shí)際輸出功率為9.2kw/90%=10.222kw。假設(shè)系統(tǒng)每天工作8h，耗電量為10.222kw×8h=81.776kw·h。

在計(jì)算太陽能電池板參數(shù)的過程中，按照每天有效日照時(shí)間8h計(jì)算，太陽能電池板的輸出功率為81.776kw·h/8h/80%=12.778kw，其中80%是太陽能電池組件到變頻器之間的線路傳輸損耗、太陽能電池組件的功率衰減等。結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目特點(diǎn)，充分考慮功率余量，工程中選擇出80塊200w多晶硅太陽能電池板，將20塊電池板串聯(lián)在一起，共構(gòu)成4路并聯(lián)。在通用變頻器和光伏控制器選型的過程中，優(yōu)先選用模塊化矢量變頻器和光伏控制器。

水泵機(jī)組選用200QJ20k-93/7型潛水泵，額定流量為20m3/h，額定揚(yáng)程為93m，其中應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為9.2kw。

應(yīng)用可靠的監(jiān)控系統(tǒng)以此確保系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，積極應(yīng)用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，也可以應(yīng)用移動(dòng)終端將控制參數(shù)發(fā)送到人機(jī)交流中心。

三、結(jié)語

太陽能光伏提灌站應(yīng)用科學(xué)的配置裝置，對(duì)豐富的自然資源加以充分利用，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，同時(shí)借助可靠的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)供水，從而保障灌區(qū)的水源供給，并達(dá)到了降低運(yùn)行和維護(hù)成本的目的，有效解決了區(qū)域內(nèi)生活用水和灌溉用水不足的問題，成為當(dāng)今太陽能應(yīng)用的新領(lǐng)域，技術(shù)優(yōu)勢(shì)也十分顯著。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料和高效水泵獲得廣泛應(yīng)用，太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率也不斷提高，這都為太陽能提灌站的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]阮紅麗，李光輝，蔣輝霞等.太陽能提灌站的構(gòu)成及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012，24（13）：224.

[2]段程威.太陽能光伏發(fā)電在提灌站的應(yīng)用[J].華北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，44（4）：40.

[3]肖波.太陽能光伏提灌站水泵選型設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（5）：47.