一種風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置的研究＊

□陳爽 蔣輝霞 劉波 何清燕/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

1 研究背景及意義

在“十三·五”規(guī)劃中，中央明確提出“推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系”，要求“堅(jiān)持把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要著力點(diǎn)”。太陽能和風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，在農(nóng)業(yè)工程中的綜合運(yùn)用及推廣是新能源技術(shù)發(fā)展的一種有效探索，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種有效途徑。

四川省涼山、攀枝花、甘孜、阿壩等地區(qū)地廣人稀，“十年九旱”，農(nóng)業(yè)灌溉及供水基礎(chǔ)設(shè)施條件差，農(nóng)民生產(chǎn)用水及基本人畜飲水供應(yīng)供應(yīng)十分困難。為解決這一問題，太陽能提灌技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，但在太陽能資源不夠豐富或分布不均勻地區(qū)采用太陽能提灌技術(shù)不能完全滿足供水需求，而這些地區(qū)風(fēng)能條件較好?？梢酝ㄟ^風(fēng)光互補(bǔ)，利用風(fēng)能、太陽能在時(shí)間和能量上的動(dòng)態(tài)互補(bǔ)性，在白天光照強(qiáng)度充足但無風(fēng)條件下采用太陽能光伏發(fā)電供能，在夜間或弱光且風(fēng)能充足條件下采用風(fēng)能發(fā)電供能，在光照強(qiáng)度及風(fēng)能均充足條件下兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)發(fā)電供能，裝置將水從低處提到高處，再通過山坪塘、蓄水池、水窖等蓄水、保水。風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置對(duì)能源的利用率更高，運(yùn)行成本更低，更經(jīng)濟(jì)合理。

2 系統(tǒng)組成

風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置包括太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)避雷及接地設(shè)備、光伏逆變系統(tǒng)、光伏控制系統(tǒng)、風(fēng)能控制系統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)能系統(tǒng)避雷及接地設(shè)備、風(fēng)能逆變系統(tǒng)、風(fēng)能控制系統(tǒng)、動(dòng)力線路、水泵、輸水管道等。

光伏控制系統(tǒng)和風(fēng)能控制系統(tǒng)均為電性連接動(dòng)力線路，且光伏控制系統(tǒng)和風(fēng)能控制系統(tǒng)之間為并聯(lián)連接，兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行相互不影響，且有效地于動(dòng)力線路處匯集，動(dòng)力線路由四芯防水橡套銅芯電纜構(gòu)成，最大程度地避免了各種自然災(zāi)害對(duì)電纜的影響，增加了裝置的使用壽命，風(fēng)能逆變系統(tǒng)和光伏逆變系統(tǒng)內(nèi)部安裝的逆變器規(guī)格相同，兩個(gè)規(guī)格相同的逆變器能保證傳輸?shù)碾娔芡角医y(tǒng)一。

本裝置在使用時(shí)，太陽能光伏組件將采集的太陽光能，轉(zhuǎn)化為直流電能，輸入光伏逆變系統(tǒng)，通過逆變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換作用，將該直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能輸出，同時(shí)，風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)通過上述相似方式將風(fēng)能輸出；通過各自的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式的切換，控制系統(tǒng)輸出的交流電能通過動(dòng)力線路進(jìn)行電能輸送，通過高效水泵將水加壓后進(jìn)入輸水管道，再通過輸水管道輸送至蓄水池；到了用水季節(jié)，可以直接從蓄水池取水，用于農(nóng)作物的灌溉。

3 關(guān)鍵技術(shù)

本裝置將太陽能和風(fēng)能兩種能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)灌溉中，通過太陽能和風(fēng)能在多方面的特性互補(bǔ)研究出風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置，主要有以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)。

1）在無蓄電池的條件下，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)能源的動(dòng)態(tài)跟蹤，達(dá)到自然能源的最大利用，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2）研究風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置在風(fēng)光互補(bǔ)狀態(tài)下，太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電與總電源輸入特性匹配的關(guān)鍵技術(shù)。

3）研究在風(fēng)光互補(bǔ)狀態(tài)下，控制系統(tǒng)與高效水泵的協(xié)同作業(yè)，通過電源切換、參數(shù)檢測(cè)、數(shù)字化控制、諧波技術(shù)，電磁兼容技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多種運(yùn)行模式。

4）傳統(tǒng)水泵機(jī)組工作受輸入功率變化影響較大，當(dāng)遇到能量供給下降時(shí)，水泵無法正常運(yùn)行，通過對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置的研究，提高系統(tǒng)效率，使系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。

5）通過對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置的研究，實(shí)現(xiàn)能量跟蹤控制、智能故障保護(hù)等功能；風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置能采集開機(jī)指令、電壓傳感器反饋、液位、系統(tǒng)壓力等信號(hào)，通過與預(yù)設(shè)值的比較，進(jìn)行PID計(jì)算，不斷調(diào)節(jié)頻率輸出，進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，自動(dòng)調(diào)整高效水泵運(yùn)行工況。

6）通過風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置在時(shí)間和能量上的動(dòng)態(tài)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)作業(yè)地現(xiàn)場(chǎng)自然條件，自動(dòng)進(jìn)行雙電源的適時(shí)切換或共同運(yùn)行。

4 結(jié)語

隨著國家新能源政策的不斷實(shí)施，太陽能、風(fēng)能利用技術(shù)的不斷發(fā)展，高效水泵的不斷研制，風(fēng)光互補(bǔ)高效提水裝置的發(fā)展前景將十分廣闊。裝置的應(yīng)用推廣能降低能耗，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)還大大改善了當(dāng)?shù)氐娜司迎h(huán)境和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)還可提升農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，可以有效解決四川省甘孜、阿壩、涼山等地區(qū)因電力短缺等原因?qū)е碌娜∷y題，提高當(dāng)?shù)乜褂匀粸?zāi)害的能力，為農(nóng)業(yè)灌溉用水、生態(tài)治理供水、當(dāng)?shù)卮迕竦娘嬘盟峁┯辛ΡＵ稀?/p>