光伏節(jié)水系統(tǒng)及技術(shù)研究*

張亞瓊 蔣輝霞 陳爽 劉波 何清燕 馬霄

四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，四川成都

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)80年代，國外專家學(xué)者就開始對光伏節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)行研究。E-dzard Hafner 等[1]從作物需水量出發(fā)對水泵進(jìn)行了最優(yōu)選型，研究了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在滴灌設(shè)備中的運(yùn)用。M.Abdolzadch等[2]研究指出較低的太陽能電池溫度和硅晶片反射能有效增加光伏水泵系統(tǒng)效率。目前，太陽能節(jié)水灌溉技術(shù)在美國、歐洲以及亞洲部分國家已經(jīng)推廣使用，滴灌、微灌系統(tǒng)中使用太陽能作為能源的比例逐漸增加，使得偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用電得到保證[3]。

當(dāng)前我國節(jié)水灌溉系統(tǒng)所用的水資源大部分源于水庫，水庫到農(nóng)田距離較遠(yuǎn)，需要運(yùn)輸，在運(yùn)輸過程中存在一定的灌溉水資源浪費(fèi)[4]。近年來，國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和研究人員進(jìn)行了大量關(guān)于太陽能提灌站的探索與研究。研究人員在電池性能改進(jìn)、變頻逆變器或驅(qū)動(dòng)控制器、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真等方面開展了大量的研究工作，取得了一定的成果[5]。

太陽能提灌要真正實(shí)現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用，必須著力降低機(jī)組建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)的成本，需要從太陽能發(fā)電系統(tǒng)、水泵運(yùn)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三方面進(jìn)行優(yōu)化配置，根據(jù)三方面系統(tǒng)的特點(diǎn)，找到最佳結(jié)合點(diǎn)。

2 光伏節(jié)水系統(tǒng)研究

本研究將太陽能發(fā)電技術(shù)與提灌供水技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，研究形成了光伏節(jié)水新裝置1 套。該裝置通過簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了建設(shè)成本，避免使用過程中因電池老化更換電池產(chǎn)生的費(fèi)用及舊電池對環(huán)境的污染，提高了灌溉用水效率，達(dá)到了節(jié)約用水的目的。

光伏節(jié)水系統(tǒng)組成包括三大系統(tǒng)——提水系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。

2.1 提水系統(tǒng)

提水系統(tǒng)主要包括光伏提水專用離心式潛水泵機(jī)組、耐震壓力表、止回閥、閘閥及配套水源工程及管路等。提水系統(tǒng)主要是將低位水池的水通過泵加壓輸送至高位水池，解決高位水池的灌溉用水問題，提水系統(tǒng)如圖1所示。

2.2 發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能光伏組件陣列及配套支架、接地及避雷裝置、逆變器、控制器、電纜等。發(fā)電系統(tǒng)的工作原理是太陽能光伏組件陣列通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，為光伏節(jié)水系統(tǒng)提供電源，發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括太陽能光伏提水控制柜（含太陽能光伏提水系統(tǒng)用控制逆變器、可視化界面、PLC、低壓電器及液位控制器等），用于對提水機(jī)組等進(jìn)行自動(dòng)啟?？刂频取?/p>

圖1 提水系統(tǒng)示意圖

3 光伏節(jié)水技術(shù)研究

3.1 提水技術(shù)研究

通過光伏提水專用離心式潛水泵參數(shù)進(jìn)行提灌站水泵選型，同時(shí)確定電機(jī)型號(hào)及配套功率。水泵配套的電機(jī)容量按水泵運(yùn)行可能出現(xiàn)的最大軸功率進(jìn)行選配，并留有一定的儲(chǔ)備，從而確定適宜的光伏提水專用水泵機(jī)組型號(hào)、輸水管道、電機(jī)功率以及管道的壓力等級等，以滿足系統(tǒng)動(dòng)力要求和茶園的灌溉需求。

光伏提水專用離心式潛水泵技術(shù)要求：全不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造，長時(shí)間無故障運(yùn)行；所有金屬部件均為304不銹鋼，泵軸采用431 高強(qiáng)度不銹鋼。電機(jī)、水泵一體，潛入水中運(yùn)行，需保證安全可靠。潛水泵每級導(dǎo)流殼中裝有一個(gè)橡膠軸承；葉輪用錐形套固定在泵軸上；導(dǎo)流殼采用螺紋或螺栓聯(lián)成一體。潛水電機(jī)采用水潤滑軸承，下部裝有橡膠調(diào)壓膜、調(diào)壓彈簧，組成調(diào)壓室，調(diào)節(jié)由于溫度引起的壓力變化；電機(jī)繞組采用聚乙烯絕緣，電纜連接方式按QJ 型電纜接頭工藝，把接頭絕緣脫去，刮凈漆層，分別接好，焊接牢固，用橡膠繞一層，并用絕緣膠帶纏2～3層，防止漏電發(fā)生安全事故。

圖2 發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖3 控制系統(tǒng)示意圖

3.2 發(fā)電技術(shù)研究

太陽能電池組件是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，推動(dòng)負(fù)載工作。結(jié)合系統(tǒng)提水技術(shù)特點(diǎn)、控制技術(shù)特點(diǎn)及運(yùn)行模式等，優(yōu)選出最大程度利用光照資源和發(fā)揮最大綜合效益的光伏組件型式。本研究根據(jù)相關(guān)的參數(shù)確定了適宜的太陽能發(fā)電參數(shù)配置，光伏組件斜面朝南±5.0°以內(nèi)，與水平面安裝角在28°±0.5°之間。

3.3 控制技術(shù)研究

控制裝置內(nèi)裝有可編程控制器、可視化界面?？删幊炭刂破饔糜诮邮帐謩?dòng)指令輸入、液位信號(hào)、光照強(qiáng)度信號(hào)等，根據(jù)控制邏輯啟動(dòng)水泵，并與光伏提灌逆變控制器、可視化界面進(jìn)行通訊，執(zhí)行相應(yīng)控制動(dòng)作，采集相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，并在可視化界面上顯示系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。

控制系統(tǒng)在分析光伏組件和水泵運(yùn)行特點(diǎn)基礎(chǔ)上，采集光伏組件輸出功率、水泵運(yùn)行狀況兩方面的反饋數(shù)據(jù)，通過對自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、控制參數(shù)的選擇和算法進(jìn)行優(yōu)化，可動(dòng)態(tài)控制水泵機(jī)組的起停操作，使參數(shù)采集和系統(tǒng)運(yùn)行滿足自動(dòng)運(yùn)行的需要。

4 結(jié)論

本研究將適宜的提水技術(shù)、太陽能發(fā)電技術(shù)、控制技術(shù)等進(jìn)行了有機(jī)組合，通過太陽能光伏組件的串并聯(lián)組合，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，讓光線條件不好和電力匱乏的邊遠(yuǎn)山區(qū)也能實(shí)現(xiàn)可靠提水。