光伏太陽能發(fā)電在長距離輸水工程中的應用

陸建華

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

光伏太陽能發(fā)電在長距離輸水工程中的應用

陸建華

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

光伏太陽能發(fā)電作為清潔能源，對環(huán)境破壞小，不受輸電線路制約，在道路照明、高速公路信號指示及通訊等局部小范圍領域內廣泛應用。為解決長距離輸水線路、水庫大壩照明，遠距離系統(tǒng)控制等小容量的監(jiān)視、控制、運行等的電力需求，對采用10 kV網電和采用光伏太陽能發(fā)電作為供電主電源進行比較，結果表明采用太陽能供電，一個閥室僅電源一項就減少90萬元左右，具有明顯的經濟優(yōu)勢。

光伏太陽能；長距離輸水；控制系統(tǒng)；經濟分析

西方國家應用光伏太陽能發(fā)電已有幾十年歷史，雖沒有形成大規(guī)模的光伏太陽能發(fā)電項目，但中小容量及家庭式小型光伏太陽能發(fā)電項目已很普及，對改善環(huán)境起到了非常積極的作用。以色列非常重視光伏太陽能的研發(fā)與利用，在光伏太陽能技術上不斷有新的突破，特別是太陽能儲存技術世界領先。日本后來者居上，產品、技術和應用都走在世界前列，不少城市的光伏太陽能使用量已占到總用電量的30%以上。我國的光伏產業(yè)發(fā)展極不平衡，盡管太陽光伏發(fā)電組件及電池的產量已經超過日本和歐洲，居世界第一位，但光伏應用市場的發(fā)展卻非常緩慢，只在道路照明、高速公路信號指示及通訊等領域小范圍應用。

1 長距離輸水工程概況

1.1 國情狀況

為滿足廣大人民生產、生活需要，進行水資源重新配置，建設遠距離輸水工程。水利工程水源及管線多在偏遠山區(qū)，若采用網電供電，供電工程數(shù)量很大，采用架空線路或地埋電纜投資也很大，維護費用很高，有線路損耗、變壓器損耗和設備損耗等；若采用柴油發(fā)電機組供電，要保持連續(xù)工作狀態(tài)運行費用也很大，并且污染環(huán)境。

近年來興起的光伏太陽能發(fā)電，為解決輸水工程小容量的監(jiān)視、控制、運行等的電力需求，提供了條件。在光伏太陽能發(fā)電產品技術及應用技術上我國與國外產品有較大差距，問題在于國內的光伏工程和市場上光伏產品的設計、安裝、使用很不合理。

1.2 長距離輸水工程用電負荷特點

長距離輸水工程用電，除提水泵站外，用電節(jié)點數(shù)量更多的是流量調節(jié)閥、檢修閥、水位信號、壓力信號、流量信號、溫度信號，長距離輸水洞內安全監(jiān)測系統(tǒng)的變形、位移、滲漏的信號采集，后臺自動監(jiān)控系統(tǒng)及視頻系統(tǒng)等。

流量調節(jié)閥及檢修閥為短時工作制。流量調節(jié)閥只控制水池水位在一定范圍內，水位與流量之間本身就有自動調節(jié)的功能，故流量調節(jié)閥不會連續(xù)工作；對一般中小型工程而言，流量調節(jié)閥的電機功率大都在2.0～5.5 kW之間，屬小型用電負荷；而檢修閥只有在事故時才進行關閥工作，用電負荷也都在5.5 kW以下，屬短時工作制。

水位信號、壓力信號、流量信號、溫度、變形、位移、滲漏等信號的采集，自動監(jiān)控系統(tǒng)及視頻系統(tǒng)，雖然是連續(xù)工作制，其實際用電負荷大致在1 kW以下，有的只有幾十瓦。

長距離輸水線路用電設備的特點是，連續(xù)用電（如攝像頭、壓力信號計、水位信號計及控制設備等）負荷小，短時工作設備（如調流閥調節(jié)開度、檢修閥關閥等）的用電負荷多在5.5 kW以下，且用電時間很短，可采用光伏太陽能發(fā)電。

2 閥及控制系統(tǒng)配電設計與經濟分析

方案一：管線調節(jié)閥采用農網供電可靠性較低，供水主管線上的流量調節(jié)閥一旦失電，將使整個供水工程無法正常工作，采用雙電源供電為宜。采用10 kV網電做為主電源，另設柴油發(fā)電機組為備用電源。

10 kV架空線路20～30萬元/km，用電線路平均3 km，每公里每年的維護費用約0.5萬元。網電供電的高壓變壓器柜12萬元，10 kV架空線路每公里市場價按25萬元計，每公里架空線路每年維護費用按0.5萬元計，每10年費用統(tǒng)計見下表1。

表1 網電投資、維護價格表

方案二：采用光伏太陽能發(fā)電作為供電主電源，選用柴油發(fā)電機組作為備用電源。

30 kW EPS光伏太陽能發(fā)電配置：

光伏組件功用，將光能轉換為直流電能。最佳工作電壓36.4V、電流8.52A、8串、總電壓291.2 V、總功率2 480 W。

216 V DC（150A）系列光伏控制器功用，輸出216 V直流電給EPS，同時給蓄電池充電。

膠體蓄電池功用，儲存電能同時供電給EPS。

EPS功用，優(yōu)先使用太陽能供電，光照不足或陰雨天使用蓄電池供電，蓄電池達到保護電壓時，切換到備用電源。

電池柜功用，放置蓄電池。

表2 30kW的EPS配置價格表

上表為一套30 kW EPS電源價格，加上防雷、防盜等總投資約20萬元；10 kW、15 kW、20 kW的EPS電源價格依次為12萬、14萬、16萬元。30 kW的EPS電源是按5.5 kW的閥電機確定的，2.0 kW的電機選用10 kW的EPS電源就夠了；每5年更換一次電池，每套增加2萬元左右。

根據(jù)以上兩方案分析比較，采用太陽能供電，一個閥室僅電源一項就節(jié)省90萬元左右。東山供水工程和辛安泉供水工程，都設有50多個閥及近10個輸水洞，采用太陽能供電，一個工程節(jié)省5 000多萬元，若每個地區(qū)有4~5個東山供水這樣規(guī)模的工程，一個省的水利工程投資就節(jié)約15個億。

以上分析是基于鼠籠電機考慮，起動電流按額定電流的7倍計算；若采用繞線電機，起動電流為額定電流的3倍以下，電機造價提高30%，投資增加1 000～2 000元，而EPS電源的容量就可減小50%，造價減少40%，節(jié)省的投資會更多。

根據(jù)上述分析比較，采用太陽能供電節(jié)省投資、減少污染，利國利民，值得大力推廣。

3 結語

我國水庫數(shù)量巨大，水庫泄洪閘門的用電負荷要比閥門大得多。大多水庫多年不會泄洪，水庫大壩的變壓器常年空載，僅提供水庫照明、樞紐控制系統(tǒng)用電。如果水庫照明、樞紐控制系統(tǒng)采用光伏太陽能供電，只在汛期泄洪時，才控制變壓器帶電，開啟閘門泄洪，避免變壓器長期帶電，以減少電力耗損。

人類社會進入21世紀，正面臨著化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染的嚴重局面。廉價的石油時代已經結束，逐步改變能源消費結構，大力發(fā)展可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路，已逐漸成為人們的共識。太陽能光伏發(fā)電由于具有獨特的優(yōu)點，近年來正在飛速發(fā)展，其應用規(guī)模和領域也在不斷擴大，從原來只在偏遠無電地區(qū)和特殊用電場合使用，發(fā)展到城市并網系統(tǒng)和大型光伏電站。盡管目前太陽能光伏發(fā)電在能源結構中占比微不足道，但是隨著社會的發(fā)展和技術的進步，其份額將會逐步增加。

TK323

C

1004-7042（2017）11-0028-02

陸建華（1960-），男，1982年畢業(yè)于西北工業(yè)大學自動控制系電氣工程專業(yè)，高級工程師。

2017-09-08；

2017-10-16