戶用光伏供水系統(tǒng)設(shè)計探討

劉紅旺，張姣姣，楊志剛

（天津水科機電有限公司，天津 301900）

0 引言

我國幅員遼闊，存在大量的偏遠山區(qū)、無電少電地區(qū)，當?shù)胤稚⒕幼【用瘛耙蛩仑殹薄ⅰ耙蛩芾А眴栴}嚴重。針對我國偏遠貧困地區(qū)分散居住家庭飲用水及其他生活用水的現(xiàn)狀及需求，戶用直流光伏直飲水裝置的研制對解決上述地區(qū)飲水安全和農(nóng)業(yè)灌溉問題有深遠意義。該系統(tǒng)采用電機、水泵一體結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕、低壓直流供電、節(jié)能安全高效、維護簡單?？山鉀Q偏遠地區(qū)、無電少電地區(qū)、貧困地區(qū)分散居住的單戶家庭的飲水安全和農(nóng)業(yè)灌溉問題。

1 原理簡介

圖1 光伏水泵系統(tǒng)工作原理簡圖

通過圖1可知，光伏供水系統(tǒng)是一種以太陽能為能源進行提水的系統(tǒng)，主要原理是利用太陽能電池板吸收太陽日照輻射能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，為系統(tǒng)提供動力能源，然后通過電機驅(qū)動水泵提水。

2 系統(tǒng)概述

戶用直流光伏直飲水裝置主要包含太陽能組件、光伏電控制器、光伏水泵、電池組、供水水箱、水凈化設(shè)備、支架、輸配線纜等配套系統(tǒng)。

太陽日照輻射通過太陽能電池板矩陣轉(zhuǎn)化為直流電，由光伏控制器控制實現(xiàn)對電池組充電并同時為負載設(shè)備供電；電池組的電能經(jīng)過直流配電單元和電源轉(zhuǎn)換模塊后為用電設(shè)備供電。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為目前最潔凈的能源，其建設(shè)、運行過程具有以下主要特點：

可靠：在惡劣的環(huán)境和氣候條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)很少產(chǎn)生故障，因此光伏發(fā)電經(jīng)常被用于要求供電可靠性很高的場合，而且并未因高可靠性而增加系統(tǒng)建設(shè)費用。

耐用：目前，絕大多數(shù)太陽能組件的生產(chǎn)技術(shù)都足以保證10年以上其性能不下降。

潔凈：最潔凈的能源，系統(tǒng)運行周期內(nèi)不存在污染排放。

維護費用低：在遠離城鎮(zhèn)的邊遠地區(qū)，為了維護或修理常規(guī)發(fā)電設(shè)備要將材料和人員運送到很遠的地方，其費用很高，光伏系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可實現(xiàn)無人值守，無需運行維護費用，只需進行周期性的檢查和很少的維護工作量，因此維護費用比常規(guī)發(fā)電設(shè)備要少得多。

無需燃料費用：由于光伏系統(tǒng)不需要燃料，從而免去了購買、儲存、運輸和管理燃料的費用。

減少噪音污染：光伏系統(tǒng)運動部件很少，基本沒有噪音。

光伏組件積木化：便于用戶根據(jù)自己的需要選擇和調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)的容量大小，安裝時靈活方便。

安全：光伏系統(tǒng)不需要易燃的燃料，只要設(shè)計和安裝適當，系統(tǒng)具有很高的安全性。

3 應(yīng)用計算

根據(jù)GB/T 50331-2002《城市居民用水量標準》的規(guī)定，用水量最低地區(qū)為75～125 L/人·d，以戶均4人計算，日家庭用水量125×4=500 L。考慮日常灌溉及打掃衛(wèi)生用水等余量，取戶用供水水箱容積為1 m3；保證及時供水并取一定余量，取水泵流量Q=2 m3/ h。

3.1 水泵揚程

以家庭住房居二層樓為例，管道直線長度取400 m,蓄水池（或水井）深度4 m，水泵揚程計算如下：

（1）管道公稱直徑：d=DN25

通過計算得出：v=1.133 m/s

（3）壓水揚程：

根據(jù)GB 50013-2018《室外給水設(shè)計標準》的規(guī)定，取辦公樓高度H1=12 m

（4）吸水揚程（蓄水池深度）取H2=5 m

（5）水頭損耗計算：

1）線性長度：L=400 m

2）管道(選用鋼管)沿程阻力系數(shù)：

一般情況下，沿程摩阻系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re和管壁相對粗糙度ε/ d有關(guān)。

Re=ρvd/μ

式中：v為流體的流速；ρ為流體的密度；μ為水在20 ℃的黏性系數(shù)；d為管徑。

計算得出：Re=2.8×104

鋼管絕對粗糙度ε取0.1 mm

相對粗糙度:Δ=ε/d=0.1/25=0.004

圖2 莫迪圖

通過圖2可得出：λ=0.033

通過 柯爾勃洛克Colebrook公式：

計算得出：λ=0.031 86

查圖2及Colebrook公式計算得出數(shù)值相近，因此取λ=0.032。

3）局部阻力系數(shù)

表1 局部阻力系數(shù)表

管路損耗預(yù)估：90°彎頭10個，截止閥2個，止回閥2個，過濾器1個。

局部阻力系數(shù)為：

∑ζ=10ζ彎+2ζ截+2ζ止+1ζ濾

通過表1及計算得出：∑ζ=53.2

4）根據(jù)沿程阻力系數(shù)與局部阻力系數(shù)，通過計算，可得出管道中水頭損耗：

式中：l為管長；d為管徑；l/d稱為幾何因子；v為管內(nèi)平均速度；v2/2 g為速度水頭；λ為沿程摩阻系數(shù)。

（6）水泵總揚程

H=H1+H2+H3=12+5+37.02=54.02 m

通過圖3，考慮水箱有一定高度和取水余量，因此取水泵揚程H=60 m。

圖3 供水示意圖

3.2 水泵電機功率

式中，η為水泵效率，η取0.75。

計算得出：W=435.6 W

計算得出：N=0.544 5 kW

3.3 光伏板和電池的選用

根據(jù)水箱容積及水泵流量可知，每日啟泵時長約為0.5 h。

水泵功率為544.5 W，考慮光照及陰雨天氣影響，電池需保證水泵可運行1周以上，因此電池選用：4塊12 V、40 Ah太陽能專用膠體蓄電池。

電池所需電量：12×40×4=1 920 W·h

正常光照6 h情況下，為電池充電光伏板功率（取光伏轉(zhuǎn)化效率為0.8）：1 920/6/0.8=400 W

綜上所述，選擇兩塊36 V、250 W的太陽能電池板。

4 總結(jié)

本文主要以采用太陽能電池發(fā)電蓄，電池儲能驅(qū)動直流水泵，為偏遠地區(qū)農(nóng)村家庭提供清潔生活用水，解決貧困地區(qū)分散居住的單戶家庭的飲水安全和農(nóng)業(yè)灌溉問題。依據(jù)實際計算提出戶用光伏供水系統(tǒng)的解決方案，對水泵揚程、管道阻力系數(shù)、光伏板及電池的選用提供了依據(jù)。