光伏提水工程技術設計初探

程榮香 張瑞強

（中國水科院 牧區水科所，呼和浩特 010010）

隨著建設社會主義新農村的需求，光伏提水業近年來得到了迅速發展，它對解決人畜供水和農牧業灌溉問題起到了較大的作用。但因在光伏提水工程建設過程中沒有可執行的標準，工程建設的隨意性大，使光伏提水系統利用率低、效益差，系統功能不能全部發揮。本文將根據多年光伏提水工程的建設和設計經驗，依次介紹光伏提水工程的各個設計環節，對每個環節的設計內容、技術要求和指標的確定進行闡述，為今后光伏提水工程的建設提供一個科學的設計方法。

1 光伏提水工程的選址

光伏提水工程建設地點選擇應具備相應的條件：有穩定、可靠的太陽能資源；50年一遇的最大風速不大于50m／s；有適宜的水源條件。

1.1 太陽能資源條件

對工程建設地點進行不少于一年的太陽能資源資料測量，并取得距離建設點最近的相應參證氣象站的同期資料。滿足下列條件的地區，認為適合建設光伏提水工程。

（1）條件一、年平均太陽總輻射量不小于1400kW·h／ （m2·a）。

（2）條件二、全年太陽能年平均日照小時數不小于2200h。

（3）太陽輻射量年變化和日變化、各月太陽輻射量日變化：用太陽輻射量年變化和日變化、各月太陽輻射量日變化與同期負荷的變化曲線對比，兩者相一致或接近的部分越多越好。

1.2 水源條件

光伏提水工程建設前，應對建設地點進行水資源的勘察評價，對水源水質和水量提出相應要求。

（1）光伏提水工程的水源水一般為清水，如河水、湖水、池塘水、井水等。水的溫度不高于40℃；固體物質含量 （按質量計）不大于0.01%，粒徑不大于0.2mm。

（2）選用地下水源時，其允許開采量應大于取水量，保證水源的可持續性；選用地表水源時，其設計枯水流量的年保證率不宜低于90%。當單一水源水量不能滿足要求時，可采用多水源或調蓄水等措施。

（3）水源的供水能力應大于水泵的流量。

2 光伏提水工程設計

2.1 光伏提水工程總體設計應考慮的因素

（1）光伏提水泵站周圍不應有影響光伏發電的遮陽障礙物。

（2）供水蓄水池應具備重力供水條件，應有一定的容積，保證連續陰天泵站不提水的情況下仍能正常供水。

（3）在泵站取水處要預留放置其它取水器所需的空間。

（4）系統應有放水裝置，以免冬季凍壞水管等設備。

（5）在光伏陣列、控制室、水源口、蓄水池處應設有安全防護設施和警示標志。

（6）輸水管線不應有較大的起伏，穿越不良地質、地段時應采用相應的技術措施。輸水管線接口處不應有明顯的滲漏。

2.2 光伏提水工程技術要求

（1）光伏提水泵設施能在－20℃～＋60℃的條件下正常工作。

（2）在光伏組件安裝的區域內，地基應有相應的承載力，避開沼澤、灘涂、流沙。

（3）蓄水池最低點的水頭應能滿足最不利用戶用水終端的水頭要求。

（4）容量大于2kW的光伏提水泵站的控制器應有欠壓、過載等電子自動保護功能。

（5）光伏提水泵站的出水口處應有消能和防沖刷裝置。

（6）要求冬季作業的光伏提水系統，輸水管線應埋設在凍層以下，或采取相應的其他防凍措施，管道上安裝閥門處應建閥門井。

3 光伏提水機組的選型

光伏提水機組類型應依據工程用途、太陽能資源條件、提水流量及揚程等來選擇。

流量大于10m3／h的提水機組或水中含沙量大的宜優先選用離心泵提水機組；流量小于10m3／h時宜選用高揚程、小流量容積泵提水機組。

4 泵站相關參數的確定

4.1 系統揚程的確定

光伏提水泵站總揚程是指光伏提水系統在夏季為9～17h，冬季為10～15h抽取的水量與水源供給的水量處于平衡時，水源此時的動水位到出水口中心的高差與輸水管道的阻力之和。按公式 （1）計算：

式中：H——水泵的總揚程，m；

H1——動水位到最不利用水終端的高差，m；

H2——蓄水池底部到最不利用水終端的高差，一般取2m～3m；

H3——蓄水池深度，m；

△H——總水頭損失，m。

4.2 系統日提水量的確定

系統日提水量為系統在全日內各個時間段的提水量之和，按公式 （2）計算：

式中：Qr——日提水量，m3／d；

Qi——選定機型在確定的揚程下某時段太陽能資源對應的系統流量，m3／h；

tq—— 一天內系統提水起始時間，h；

tz—— 一天內系統提水終止時間，h。

5 光伏陣列的設計

5.1 光伏陣列容量的確定

光伏陣列容量可按公式 （3）計算：

式中：N——光伏陣列的容量，W；

Npf——提水系統峰值水功率，W；

k1——太陽能資源修正系數；

k2——光伏陣列跟蹤太陽方式修正系數。k1、k2值分別按表1和表2選取。

表1 太陽能資源修正系數k1

表2 光伏陣列跟蹤太陽方式修正系數k2

5.2 光伏陣列方位角、最佳傾角的確定

（1）方位角γ按公式（4）計算：

式中：αz——太陽高度角；

φ——當地緯度；

δ——太陽赤緯角。

（2）最佳傾角的確定。根據水平面太陽總輻射量結果，計算出不同角度（10°～60°間隔1°）傾斜面上各月太陽總輻射量。比較傾斜面不同傾角的月平均太陽總輻照量計算結果，得出全年最大太陽總輻照量時對應的傾角，即為光伏陣列最佳傾斜角。同時也適用固定安裝光伏陣列最佳傾角的計算［1］。

5.3 光伏陣列行間距的計算

行間距指前排方陣前端到后排方陣前端的距離，按公式（5）計算：

式中：Ls——行間距，m；

γ——冬至日上午9時太陽方位角；

L——組件垂直高度，m。

6 系統其它設計

6.1 蓄水與輸配水系統的設計

蓄水與輸配水工程設計參照《風力提水工程技術規程》（SL343－2006）中第6.4節和第6.5節的規定執行［2］。

6.2 安全設計

在安全方面主要考慮系統的防雷。如果系統安裝在空曠野外或超出附近建筑物高度時（系統超過1.5倍建筑物高點）需做防雷設計。系統防雷設計采取《建筑物防雷設計規范》（GB50057－1994）中第三類防雷建筑物的防雷等級。對于小型電站及低壓輸電線路只要求考慮防止雷電感應和雷電波侵入［3］。

（1）防雷電感應。太陽能電池方陣和控制室設備、金屬物、電纜的金屬屏蔽層要可靠接地，每個設備都要單獨接地，不允許串聯后再接到接地干線上，控制器光伏輸入端每一路均應裝設避雷模塊。

（2）防雷電波侵入。對于低壓220V／380V在每條回路的出線和零線上裝設低壓閥型避雷器。

（3）對于容量大于5kW的光伏提水系統應在系統5m內架設避雷針。

6.3 節能設計

光伏提水工程建設項目應確保使用國家現行節能規范、標準，盡量采用以下節能措施：

（1）系統應集中布置，就近接入配電室。

（2）選擇合理供電電壓和供電方式。

（3）選用技術先進、性能可靠、材料優良、結構合理、運行穩定、機械強度高、使用壽命長的節能型機電設備及材料。

7 結 語

一個優質的光伏提水工程，必須有科學合理的設計來保證。本文介紹的設計方法，為多年來從事光伏提水工程建設工作的經驗總結。在今后具體工程設計中，要因地制宜地通過科學分析和計算，才能達到光伏提水工程預期的設計目標。

［1］劉樹民，宏偉譯 .太陽能光伏發電系統的設計與施工.［日］太陽光發電協會編 .北京：科學出版社.2006

［2］風力提水工程技術規程（SL343－2006）

［3］建筑物防雷設計規范（GB50057－1994）