基于廣西太陽能資源的光伏水泵應(yīng)用分析

（桂林師范高等?？茖W(xué)校物理與工程技術(shù)系，廣西桂林541199）

廣西受資源條件限制，煤、石油等一次性能源生產(chǎn)能力有限，能源消費(fèi)70%左右需要從區(qū)外購入，對(duì)外依存度較高。清潔可再生能源消費(fèi)比重低，環(huán)保壓力大。能源問題使廣西經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展受到制約。董博[1]等人對(duì)廣西能源需求及供需平衡進(jìn)行了預(yù)測和分析，得出2030年廣西能源消費(fèi)需求將達(dá)1.103×108噸標(biāo)準(zhǔn)煤，能源需求缺口高達(dá)5.667×107噸標(biāo)準(zhǔn)煤，數(shù)據(jù)分析中顯示越往后能源需求缺口越大，因此需要尋求新的能源補(bǔ)充，同時(shí)，為建設(shè)“美麗廣西”還須考慮環(huán)保等問題。

廣西地形復(fù)雜，河流眾多，沿海、沿江的區(qū)位優(yōu)勢突出，是全國水資源豐富的省區(qū)，水資源量在全國居第五，但水資源主要分布在河川徑流中，比較難利用。通常是水源在低處，需要用水地在高處，自然條件下水不能到達(dá)需要用水地，造成了能見到水但用不到水的缺水現(xiàn)象。

鑒于以上情況，本文基于廣西地區(qū)的太陽能輻射資源特點(diǎn)，結(jié)合光伏水泵優(yōu)勢分析廣西地區(qū)發(fā)展光伏水泵應(yīng)用的可行性。

一、光伏水泵系統(tǒng)

光伏水泵系統(tǒng)是太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，之后利用控制系統(tǒng)將電能驅(qū)動(dòng)水泵工作并將水從水源處抽取到用水的地方的工作系統(tǒng)。系統(tǒng)能日出而作日落而歇，具有運(yùn)行成本低，經(jīng)濟(jì)可靠，清潔環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。光伏水泵系統(tǒng)主要含有太陽能電池、控制系統(tǒng)、水泵、儲(chǔ)水池和管道等。當(dāng)安裝使用具體的系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)用戶對(duì)水量的需求確定配以適合的水泵和太陽能電池功率，系統(tǒng)組成簡圖如圖1所示。

圖1 光伏水泵系統(tǒng)組成圖

二、廣西光伏水泵適用性分析

（一）廣西水資源概況

廣西為全國水資源豐富地區(qū)，多年平均水資源總量為1880億立方米，占全國水資源總量的7.12%，居全國第五位。然而全年降雨量的81%主要集中在4-9月，11月至次年3月往往出現(xiàn)旱災(zāi)情況。地貌以中山、丘陵為主，占總面積的68%左右[2]。地下水儲(chǔ)備豐富。

（二）廣西太陽能資源概況

廣西壯族自治區(qū)氣象局何如[3]等人已對(duì)全廣西太陽能資源做了研究，近50年來，全年輻射總量變化不大，全區(qū)太陽能資源呈現(xiàn)南多北少，輻射資源最好的潿洲島全年輻射高達(dá)5643MJ／m2，輻射最低的金秀全年為3682MJ／m2，而桂林地區(qū)全年輻射約為 4100MJ／m2。廣西全年按月份太陽輻射的分布如圖2所示。

圖2 廣西全年太陽輻射按月分布圖

廣西地區(qū)太陽能總輻射在 3682MJ／m2～5643MJ／m2之間，照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T31155-2014中的太陽能資源輻射劃分，廣西地區(qū)太陽能資源整體處于太陽輻射豐富地區(qū)。太陽能輻射資源很豐富的是潿洲島、北海等少數(shù)地區(qū)，年輻射總量大于5000MJ／m2；金秀、龍勝等為太陽能資源輻射一般地區(qū)，年輻射總量小于3800MJ／m2。

從圖2中可以看出，桂林為全區(qū)太陽能輻射資源最差的地區(qū)。為分析光伏水泵系統(tǒng)在廣西地區(qū)的可行性，選擇桂林為研究對(duì)象，選取6月的一晴天，正南方向，45°傾角監(jiān)測桂林全天太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化如圖3所示。

圖3 桂林正南方向45°傾角太陽輻射強(qiáng)度隨時(shí)間變化情況

從圖3中看出輻照度在一天基本呈現(xiàn)正弦函數(shù)變化，輻照度大于等于450 W／m2的在7小時(shí)左右，大于等于600 W／m2的時(shí)間超6小時(shí)，大于等于800W／m2的時(shí)間在3小時(shí)左右，近9.5小時(shí)輻照強(qiáng)度在200 W／m2以上。

（三）廣西太陽輻射適合應(yīng)用光伏水泵

太陽能輻射資源好可以使太陽能電池多發(fā)電，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)水泵多抽水，而太陽輻射好往往是需水量多之時(shí)；陰雨天只能少抽水或不能抽水，但此時(shí)也是需水量較少之時(shí)，所以光伏水泵系統(tǒng)與太陽能資源有天然的互補(bǔ)性。此外，在可再生新能源應(yīng)用中，太陽能屬于領(lǐng)先的綠色能源，光伏水泵系統(tǒng)直接利用太陽能資源，不僅能緩解能源緊張，同時(shí)也解決環(huán)境問題。

目前，針對(duì)光伏水泵系統(tǒng)的利用國家尚未出臺(tái)相關(guān)國標(biāo)說明，工程應(yīng)用中大多依靠已有經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)配置建設(shè)。對(duì)此，王文儀[4]等人針對(duì)光伏水泵系統(tǒng)的利用也做了研究，從理論分析與實(shí)際應(yīng)用得出太陽能電池功率與水泵功率之間的關(guān)系：

其中：PPv，太陽能電池功率，W；PP，水泵額定功率，W；Ht，水泵額定工作狀態(tài)時(shí)太陽輻照強(qiáng)度，W／m2；γ1＝0.94，逆變器轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)；γ2＝0.85，太陽電池在室外環(huán)境與標(biāo)況測試損耗系數(shù)；γ3＝0.8，太陽能電池壽命內(nèi)的自身損耗系數(shù)。

結(jié)合桂林太陽輻射資源對(duì)一套設(shè)計(jì)好的光伏水泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，因?qū)嶒?yàn)環(huán)境灰塵等污染少，組件剛出廠使用，忽略太陽能電池在室外環(huán)境與標(biāo)況測試損耗及太陽能電池壽命內(nèi)的自身損耗，此時(shí)按照（1）式計(jì)算可得，太陽能電池功率與水泵功率配比115.6%，實(shí)驗(yàn)中配比為113.5%（太陽能電池方陣峰值功率420 Wp，水泵額定功率為370W）進(jìn)行。

對(duì)配置好的光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的測試研究，太陽電池方陣45°傾角朝正南方向，當(dāng)太陽輻照強(qiáng)度在450W／m2便能夠正常抽水，根據(jù)圖3中可知，水泵一天可以正常工作7小時(shí)左右，日抽水量在20m3，根據(jù)廣西《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》夠3個(gè)月的生活用水。將這一結(jié)果推廣到太陽輻射資源比桂林輻射資源好的其他地區(qū)，抽水效果將會(huì)更加顯著。

朱勛夢[5]等人分別從綜合能源價(jià)格法等三個(gè)方面分析對(duì)比光伏水泵系統(tǒng)與常規(guī)柴油水泵及電網(wǎng)供電水泵系統(tǒng)，得出光伏水泵系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，尤其在農(nóng)業(yè)、干旱、邊遠(yuǎn)缺電等地區(qū)更顯優(yōu)勢，同時(shí)具有良好的環(huán)境效益。太陽能電池及電源系統(tǒng)能可靠地運(yùn)行25年以上，且系統(tǒng)不需要蓄電池，將常規(guī)儲(chǔ)蓄電能變成水池儲(chǔ)水的勢能，在需水時(shí)可自然澆灌或飲用，一次投入長期受益。光伏水泵系統(tǒng)符合可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，在廣西都具有很好的使用價(jià)值。

三、光伏水泵系統(tǒng)劣勢與補(bǔ)償方法

太陽能電池發(fā)電因受限于光照時(shí)長和光照強(qiáng)度，陰雨天和夜間不能工作；太陽輻射及溫度隨時(shí)間波動(dòng)對(duì)光伏系統(tǒng)的運(yùn)行有不利影響；光伏水泵建設(shè)是一次投資，受系統(tǒng)規(guī)模及投資因素影響，光伏水泵適應(yīng)范圍會(huì)受到限制，存在一定的局限性。對(duì)于光伏水泵系統(tǒng)的這些劣勢可通過以下兩個(gè)辦法來提高系統(tǒng)效率。

（一）太陽能跟蹤技術(shù)

程龍[6]等人研究了追日式光伏水泵系統(tǒng)，得到跟蹤發(fā)電量是固定式發(fā)電量的1.44倍，且全天發(fā)電功率比較均衡，在系統(tǒng)成本提高39%的同時(shí)出水量增加68%，綜合性價(jià)比提高20%左右。

在圖3測試所得的時(shí)間內(nèi)對(duì)太陽能輻照進(jìn)行了直射跟蹤測試，測試所得結(jié)果與正南45°固定測試所得結(jié)果如圖4所示

圖4 正南45°與直射輻射對(duì)比圖

從圖4中可以看出太陽輻照度在正南45°一天的變化基本呈現(xiàn)正弦函數(shù)關(guān)系，直射輻照強(qiáng)度平均為正南45°的2.07倍，發(fā)電量可以達(dá)到固定角度的2倍，說明直射跟蹤系統(tǒng)可以更加充分利用太陽能資源，較適合桂林等太陽能資源相對(duì)不是很豐富地區(qū)。

（二）多泵抽水技術(shù)

為使光伏水泵系統(tǒng)盡可能早運(yùn)行抽水工作，必須要增加太陽能電池功率，這樣無疑會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的投資增加。采用多泵系統(tǒng)工作運(yùn)行方式，通過控制器的作用控制低輻照時(shí)啟動(dòng)一個(gè)水泵抽水，當(dāng)輻照強(qiáng)度增加時(shí)再切換至另外一泵抽水，直至多泵運(yùn)行抽水，這樣可以延長水泵一天工作時(shí)間，同時(shí)太陽資源充足時(shí)也不浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)高效合理利用太陽能資源抽水。

四、結(jié)論與建議

第一，隨著經(jīng)濟(jì)的增長，太陽能電池價(jià)格的持續(xù)下降，廣西可以根據(jù)太陽能資源情況逐漸推廣使用光伏水泵，尤其適合在人員居住地分散，農(nóng)業(yè)、干旱地區(qū)及架接市電不便的偏遠(yuǎn)山區(qū)。

第二，隨著“能源問題”不斷突出，光伏水泵技術(shù)日趨成熟，各級(jí)政府及相關(guān)部門應(yīng)重視和積極推進(jìn)光伏水泵系統(tǒng)建設(shè)，助力廣西在解決人畜飲水、農(nóng)田灌溉等方面有重大突破。針對(duì)廣西地區(qū)太陽輻射資源情況，光伏水泵系統(tǒng)適合開發(fā)利用，可逐步推廣及應(yīng)用，有利于加快“美麗廣西”建設(shè)進(jìn)程。

第三，隨著社會(huì)的發(fā)展，城市可利用地面有限，與屋頂配合建設(shè)開發(fā)利用光伏水泵系統(tǒng)市場潛力大，可為城市工業(yè)和企業(yè)園區(qū)、住宅小區(qū)、醫(yī)院社區(qū)等抽水，有良好的經(jīng)濟(jì)效益，既能解決能源供給問題，又能零排放緩解環(huán)保壓力，有很好的使用前景。