太陽能提水系統(tǒng)在青海牧區(qū)供水的應(yīng)用研究

郭凱先，李 亮，侯詩文，胡 偉，劉文兵

（1.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司青海省流域水循環(huán)與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青海省水資源高效利用工程技術(shù)研究中心，西寧810001；2.中國水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010020）

0 引言

青海省的天然草場面積占全國草場面積的10%，是我國四大牧區(qū)之一，僅次于內(nèi)蒙古、西藏和新疆，居第四位。青海牧區(qū)自然環(huán)境條件惡劣，牧民居住較分散，畜牧業(yè)生產(chǎn)方式落后，導(dǎo)致牧區(qū)供水具有明顯的特殊性，諸如高寒、缺水、凍脹、遠(yuǎn)距離、供水分散、供水量小等。人畜安全飲水現(xiàn)代化程度極低，局部地區(qū)還存在季節(jié)性飲水困難問題，小范圍特殊區(qū)域供水保證率、水質(zhì)和供水方便程度未能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其是高寒偏遠(yuǎn)地區(qū)，生產(chǎn)粗放、經(jīng)濟(jì)效率低下、常規(guī)動力無法到達(dá)，水源以地表水為主，人畜同源，水體污染，人畜飲水安全問題持續(xù)存在。

青海牧區(qū)牧場供水主要采用分散供水，供水水源井主要為小口井，井徑110 mm，井深25～65 m，利用小口徑水泵提水，提水動力主要為內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)在牧區(qū)使用具有較大的局限性，油料運(yùn)輸、儲存不便，油料燃燒對草原環(huán)境存在一定的不利影響，而風(fēng)能、太陽能屬于清潔能源，同時(shí)青海牧區(qū)具有豐富的太陽能風(fēng)能資源，是理想的風(fēng)能太陽能提水系統(tǒng)發(fā)展地區(qū)，因此在青海牧區(qū)應(yīng)用風(fēng)能、太陽能提水系統(tǒng)是具有重要意義的。

目前，國外基本實(shí)現(xiàn)了牧區(qū)供水機(jī)械化，提水機(jī)具大多牧場采用清潔的風(fēng)能、太陽能做為牧場能源動力。澳大利亞牧場有專門的動力設(shè)備（太陽能板、風(fēng)力設(shè)備、電池、風(fēng)車）、導(dǎo)管、水槽、柵欄，飲水槽等。美國牧場使用太陽能動力系統(tǒng)水泵，利用太陽能提水貯水池注滿水。在水池上裝一個浮動開關(guān)，當(dāng)水池注滿水時(shí)，定時(shí)器自動增重，于是注水停止。水箱裝在高地上，水就從水箱中自動流出，可同時(shí)向3 個不同方向的牧場供水。在無太陽的情況下，蓄電池可以連續(xù)使用24 h，完全解決了牧場牲畜自動飲水問題。

我國牧區(qū)幅員遼闊，地區(qū)差異大，供水點(diǎn)多面廣、條件各異、發(fā)展不平衡，供水可靠性差、保障程度低，分散牧民幾乎沒有自來水入戶供水方式。提水機(jī)具大多采用內(nèi)燃機(jī)，部分地區(qū)淺層水源井還在沿用古老的提水工具，如皮斗人力提水、轆轤提水、人力車水等，牧區(qū)針對風(fēng)能太陽能的提水設(shè)備并不顯見。

文中針對青海牧區(qū)的風(fēng)能太陽能資源進(jìn)行分析，引用了牧區(qū)供水模式，分析研究青海牧區(qū)風(fēng)能太陽能供水系統(tǒng)的應(yīng)用效果，對青海牧區(qū)推廣清潔能源具有重要意義，對保障牧區(qū)牧民生產(chǎn)生活安全用水具有重要作用。

1 青海光資源

青海雖地處中緯度，但地勢高，空氣稀薄，干燥少云，太陽輻射被大氣層反射和吸收的較少，因此日射強(qiáng)烈，陽光燦爛，日照充足。全年日照時(shí)數(shù)長決定了太陽總輻射量高。平均每天日照時(shí)數(shù)為6～10 h，夏季長于冬季，西北多于東南，多年平均日照小時(shí)數(shù)2 351.5～3 397.7 h，年太陽輻射量高達(dá)6 000～7 200 MJ/m2，比同緯度的東部季風(fēng)區(qū)高出1/3 左右，僅低于西藏自治區(qū)，居全國第二位。

1.1 太陽輻射量

青海省太陽總輻射空間分布特征是西北部多，東南部少，太陽資源特別豐富的地區(qū)位于柴達(dá)木盆地、唐古拉山南部，年太陽總輻射量6 800～7 200 MJ/m2；太陽資源豐富的地區(qū)位于海南（除同德）、海北、果洛州的瑪多、瑪沁、玉樹及唐古拉山北部，年太陽總輻射量為6 200～6 800 MJ/m2；太陽能資源較豐富地區(qū)主要分布于青海北部的門源、東部黃南州、果洛州南部、西寧市以及海東地區(qū)，年太陽總輻射量6 000～6 200 MJ/m2。

1.2 日照時(shí)數(shù)

青海省日照時(shí)數(shù)分布特征是西、北部多、東、南部偏少。多年平均日照時(shí)數(shù)在2 351.5～3 397.7 h 之間。多年平均日照時(shí)數(shù)最多的地區(qū)是柴達(dá)木地區(qū)，介于2 951.1～3 397.7 h 之間。其次為德令哈、格爾木、烏蘭、天峻、都蘭等。多年平均日照時(shí)數(shù)分別為3 093.7、3 083.9、3 046.6、3 023.12、3 071.5 h。青海省日照小時(shí)數(shù)較少的地區(qū)有瑪沁、甘德、達(dá)日、班瑪、瑪多等地區(qū)，多年平均日照時(shí)數(shù)分別為2 544.6、2 420.2、2 474.0、2 371.4 h。

2 供水模式

太陽能供水在牧區(qū)應(yīng)用較廣泛，目前主要供水模式有：太陽能淺井供水形式、太陽能深井供水形式、太陽能蓄電池供水形式。

3 提水設(shè)備

3.1 太陽能提水設(shè)備

3.1.1 太陽能提水系統(tǒng)動力設(shè)計(jì)

（1）光伏陣列最大提水功率為：

式中：Nsf為峰值水功率，W；Qmax為水泵峰值流量，m3/s；H為系統(tǒng)總揚(yáng)程，m；g為重力加速度，m/s2；ρ為水密度，kg/m3。

（2）光伏提水系統(tǒng)水泵峰值功率為：

式中：k1為流量修正系數(shù)，由于Qmax＞10 m3/h，取0.75；k2為提水機(jī)具型式修正系數(shù)，本系統(tǒng)采用離心泵，取0.8；k3—電力傳動形式修正系數(shù)，本系統(tǒng)采用交流傳動，取0.75。

（3）光伏陣列容量為：

式中：k4為太陽能資源修正系數(shù)，示范點(diǎn)太陽能年總輻射量小于1 400 kW·h/（m2·a），取0.7；k5為光伏陣列跟蹤方式修正系數(shù)，本系統(tǒng)采用單軸跟蹤式，取1.25。

（4）光伏陣列設(shè)計(jì)。光伏組件陣列必須考慮前、后排的陰影遮擋問題，并通過計(jì)算確定方陣間的距離或太陽電池陣列與建筑物的距離。一般的確定原則是：冬至日當(dāng)天早晨9∶00至下午15∶00 的時(shí)間段內(nèi)，太陽電池方陣不應(yīng)被遮擋。通過陰影遮擋計(jì)算確定行距。光伏方陣行距應(yīng)不小于以下公式的D值：

式中：D為遮擋物與陣列的間距，m；A為太陽方位角，°；?為緯度（在北半球?yàn)檎⒃谀习肭驗(yàn)樨?fù)），°；δ為赤緯角（-23.45°），°；H為光伏方陣的上下邊的高度差，m；ω為時(shí)角，°。

3.1.2 提水控制器

利用通用變頻器加MPPT 控制器的方式來控制光伏水泵系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。變頻器為市面常見的通用變頻器，光伏陣列的輸出可以直接接到變頻器的直流端子上。對于直流端子沒有外引的變頻器，光伏陣列的輸出也可以直接接到變頻器的3個輸入端中的任意兩個。變頻器的輸出直接與機(jī)泵負(fù)載相連?？刂破髦饕瓿蒑PPT 控制、變頻器頻率給定控制和水位檢測等功能（如圖2所示）。

圖1 通用變頻器的光伏水泵控制系統(tǒng)Fig.1 Photovoltaic pump control system of general-purpose inverter

圖2 控制系統(tǒng)原理Fig.2 Control system principle

采用通用變頻器控制的光伏水泵系統(tǒng)，MPPT 控制可以采用CVT方式或TMPPT方式，由用戶來選擇。

3.1.3 提水水泵

光伏水泵系統(tǒng)的目的就是為了能穩(wěn)定、可靠的多出水，或者說最后的工作都由電機(jī)和水泵來完成。因此，光伏水泵系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)和水泵的選型非常重要。對于大多數(shù)潛水光伏水泵而言，電機(jī)和水泵構(gòu)成一個總成件，要求有極高的可靠性。電機(jī)和水泵的搭配也不像常見的電機(jī)和水泵那樣隨便搭配，要綜合考慮太陽電池陣列的電壓等級和功率等級及水泵的揚(yáng)程、流量等因素的制約。

（1）交流水泵。隨著電力電子技術(shù)和交流調(diào)速技術(shù)的長足發(fā)展，三相異步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，三相異步電動機(jī)的應(yīng)用已越來越廣泛。

（2）直流水泵。直流水泵內(nèi)部集成最大功率點(diǎn)跟蹤以及變換、控制等裝置，驅(qū)動直流、永磁、無刷、無位置傳感器、定轉(zhuǎn)子雙塑封電機(jī)或高效異步電機(jī)或高速開關(guān)磁阻電機(jī)帶動高效水泵。外部控制盒裝有防反向擊穿電子元件，簡單且易操作。

無刷直流水泵采用了電子組件換向，無需使用碳刷換向，采用高性能耐磨陶瓷軸及陶瓷軸套，軸套通過注塑與磁鐵連成整體也就避免了磨損，因此無刷直流磁力式水泵的壽命大大增強(qiáng)了。磁力隔離式水泵的定子部分和轉(zhuǎn)子部分完全隔離，定子和電路板部分采用環(huán)氧樹脂灌封，100%防水，轉(zhuǎn)子部分采用永磁磁鐵，水泵機(jī)身采用環(huán)保材料，噪音低，體積小，性能穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^定子的繞線調(diào)節(jié)各種所需的參數(shù)，可以寬電壓運(yùn)行。

直流水泵具有良好的長效經(jīng)濟(jì)性，特別是和常見的柴油機(jī)抽水相比較，具有壓倒的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。發(fā)展這種新型環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品無疑將會對發(fā)展產(chǎn)業(yè)、發(fā)展經(jīng)濟(jì)，特別是發(fā)展干旱地區(qū)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，帶來巨大良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，它特別符合建設(shè)“資源節(jié)約型”及“環(huán)境友好型”社會的發(fā)展戰(zhàn)略。

3.2 應(yīng)用效果

通過建立試驗(yàn)點(diǎn)，檢驗(yàn)設(shè)備提水應(yīng)用效果。試驗(yàn)點(diǎn)于2016年建成，2017年、2018年連續(xù)試驗(yàn)2年，試驗(yàn)過程通過測量輻照度、電流、電壓來計(jì)算不同輻照度對應(yīng)的輸出電功率；通過流量的測量計(jì)算水功率。

3.2.1 太陽能深井提水設(shè)備試驗(yàn)及效果分析

太陽能提水設(shè)備試驗(yàn)點(diǎn)位于青海省剛察縣哈爾蓋鄉(xiāng)環(huán)侖秀麻村三社，受益范圍包括周邊10 戶牧民，主要供給周邊10 戶牧民的生產(chǎn)生活用水與羊800 余只，牦牛300 余只的飲水問題，根據(jù)實(shí)際調(diào)查日需水量20 t。示范點(diǎn)水源井揚(yáng)程50 m、光伏陣列采用固定傾角運(yùn)行方式，根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源，其滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為5 h，供水流量為3 m3/h。通過計(jì)算，光伏陣列安裝容量為1.65 kW。

（1）1.65 kW 光伏提水機(jī)組輸出特性的分析（見圖3）。由圖3 可知，當(dāng)輻射量達(dá)到700 W/m2時(shí)，提水效率達(dá)到最大值33.21%，隨著太陽能輻射量的增加，提水效率又開始下降。隨著輻射量的增加提水量提升較快，當(dāng)輻射量達(dá)最佳效率點(diǎn)時(shí)，提水流量增加率變緩。

圖3 1.65 kW光伏提水機(jī)組輸出特性測試Fig.3 Testing of output characteristics of 1.65kW PV water lifting unit

（2）1.65 kW 光伏提水人畜飲水日提水量測試（見圖4～6）。試驗(yàn)點(diǎn)7月份太陽輻射量為628.13 W/m2，日提水量為26.42 m3，光伏提水機(jī)組全月總提水量可達(dá)793 m3（見圖4）。試驗(yàn)點(diǎn)8月份太陽輻射量為595.49 W/m2，日提水量為25.55 m3，光伏提水機(jī)組全月總提水量可達(dá)766.5 m3（見圖5）。試驗(yàn)點(diǎn)12月份太陽輻射量為504.9 W/m2，日提水量為20.1 m3，光伏提水機(jī)組全月總提水量可達(dá)603 m3（見圖6）。試驗(yàn)點(diǎn)在7、8的日提水量最高，12 m3日提水量最低，但日提水量均在20 m3以上，說明滿足人畜飲水的要求。

圖4 太陽輻射量、流量日變化曲線（7月）Fig.4 Daily variation curve of solar radiation and flux in July

圖5 太陽輻射量、流量日變化曲線（8月）Fig.5 Daily variation curve of solar radiation and flux in August

圖6 太陽輻射量、流量日變化曲線（12月）Fig.6 Daily variation curve of solar radiation and flux in December

3.2.2 太陽能淺井直流水泵提水設(shè)備試驗(yàn)及效果分析

直流光伏提水設(shè)備試驗(yàn)點(diǎn)位于青海省剛察縣伊克烏蘭鄉(xiāng)角什科秀麻村一社太陽能直流泵供水，受益范圍包括周邊3 戶牧民，主要解決周邊3 戶牧民的生產(chǎn)生活用水與羊900 余只，牦牛210 余只的飲水問題，日需水量20 t。水源井深10 m，水泵揚(yáng)程12 m，光伏陣列采用對光旋轉(zhuǎn)運(yùn)行方式，根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源，其滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為5 h，供水流量為4 m3/h。根據(jù)計(jì)算，光伏陣列安裝容量為450 W，水泵功率350 W。

（1）450 W 光伏提水機(jī)組輸出特性的分析（見圖7）。由圖7可知，當(dāng)輻射量達(dá)到300 W/m2，直流提水系統(tǒng)開始進(jìn)行提水；當(dāng)輻射量達(dá)到最大值（800 W/m2），效率效率達(dá)到極值41.04%；隨著輻射量的繼續(xù)增加，提水流量相應(yīng)增加，但提水效率呈下降趨勢。

圖7 450 W光伏提水機(jī)組輸出特性測試Fig.7 Output characteristics test of 450 W PV water lifting unit

（2）450 kW 光伏提水人畜飲水日提水量測試。試驗(yàn)點(diǎn)7月份太陽輻射量為704.18 W/m2，日提水量為26.48 m3，光伏提水機(jī)組全月總提水量可達(dá)820 m3（見圖8）。試驗(yàn)點(diǎn)8月份太陽輻射量為668.36 W/m2，日提水量為24.58 m3（見圖9），光伏提水機(jī)組全月總提水量可達(dá)761.98 m3。試驗(yàn)點(diǎn)12月份太陽輻射量為549.18 W/m2，日提水量為20.15 m3，光伏提水機(jī)組全月總提水量可達(dá)604 m3（見圖10）。試驗(yàn)點(diǎn)在7、8月的日提水量最高，12月日提水量最低，但日提水量均在20 m3以上，說明滿足人畜飲水的要求。

圖8 太陽輻射量、流量日變化曲線（7月）Fig.8 Daily variation curve of solar radiation and flux in July

圖9 太陽輻射量、流量日變化曲線（8月）Fig.9 Daily variation curve of solar radiation and flux in August

圖10 太陽輻射量、流量日變化曲線（12月）Fig.10 Daily variation curve of solar radiation and flux in December

3.2.3 太陽能蓄電池提水設(shè)備試驗(yàn)及效果分析

太陽能蓄電池提水設(shè)備試驗(yàn)點(diǎn)位于青海省果洛州達(dá)日縣夏曲村，受益范圍包括周邊2 戶牧民，主要解決2 戶牧民的生產(chǎn)生活用水，和牦牛230 余只的飲水問題，日需水量15 t。水源井深40 m，水泵揚(yáng)程46 m，光伏陣列采用對光旋轉(zhuǎn)運(yùn)行方式，根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源，其滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為5 h，供水流量為3 m3/h。根據(jù)計(jì)算，光伏陣列安裝容量為800 W，水泵功率1.1 kW。

太陽能蓄電池供水主要適用于各種深度的水源井，水量越大，水源井越深，需要蓄電池容量越大，造價(jià)越高。主要缺點(diǎn)是蓄電池更換頻率高，成本大，廢舊電池處理對環(huán)境影響較大，利用于較深水源井時(shí)成本高，經(jīng)濟(jì)效益低，管理維護(hù)要求較高。主要優(yōu)點(diǎn)為提水設(shè)備在光線不充足時(shí)或夜間也能使用，用水方便程度較高。

太陽能蓄電池供水機(jī)組輸出特性較穩(wěn)定，只要蓄電池電力充足，就可以滿足用水需求。野外試驗(yàn)應(yīng)用過程中，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了連續(xù)三天陰天，蓄電池保證供水需求。

3.2.4 供水保證率計(jì)算

全年最大需水日供水保證率計(jì)算：

式中：ηpmax為全年光伏提水系統(tǒng)供水保證率，%；Qh為全年光伏提水系統(tǒng)保證供水的天數(shù)，d；Qrmax為全年需水天數(shù)，如全年供水為365 d。

經(jīng)試驗(yàn)期不間斷記錄，太陽能提水設(shè)備試驗(yàn)點(diǎn)供水保證率為91.5%，太陽能直流水泵提水設(shè)備試驗(yàn)點(diǎn)供水保證率為92.3%，太陽能蓄電池提水設(shè)備試驗(yàn)點(diǎn)供水保證率為95.7%，可滿足全年的供水要求。

4 結(jié)論

研究針對青海牧區(qū)無常規(guī)動力、內(nèi)燃機(jī)費(fèi)用高的特點(diǎn)，開展太陽能提水設(shè)備在牧區(qū)供水中的應(yīng)用研究，分別提出了太陽能淺井供水、太陽能深井供水、太陽能蓄電池供水3 種模式，并在3 種模式的基礎(chǔ)上分別開發(fā)了太陽能深井提水設(shè)備、太陽能淺井直流水泵提水設(shè)備、太陽能蓄電池提水設(shè)備，并進(jìn)行野外試驗(yàn)及效果分析。

結(jié)果表明，無蓄電池提水設(shè)備隨著輻射量的增加提水量提升較快，當(dāng)輻射量達(dá)最佳效率點(diǎn)時(shí)，提水流量增加率變緩；設(shè)備在7、8月的日提水量最高，12月日提水量最低，提水量滿足供水范圍用水戶的用水需求。而有蓄電池設(shè)備輸出特性穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)三天陰天，保證供水需求的標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)期野外記錄顯示，太陽能提水設(shè)備、太陽能直流水泵提水設(shè)備、太陽能蓄電池提水設(shè)備供水保證率分別為91.5%、92.3%、95.7%，可滿足青海牧區(qū)全年的供水需求?！?/p>