光伏灌溉系統淺析及應用實例

安徽頤和新能源公司 ■ 姚俊 韓震

一 引言

光伏灌溉系統是將光伏技術與農業灌溉技術有機接合，利用太陽能為灌溉系統提供動力源，實現農業灌溉，有效達到節能、節水、農業增產、增收的目的，是一項具有廣闊應用前景和巨大社會及經濟價值的現代農業技術。

本文以安徽頤和新能源公司所研制EHE-P系列光伏揚水系統在農業灌溉的一個具體應用，探討光伏灌溉系統的設計、施工方面的注意事項及其經濟價值，為光伏灌溉技術的應用、推廣提供一些借鑒。

二 光伏灌溉系統應用背景

本文案例是在我國東北某地區的一個灌溉系統光伏改造應用實例。

由于農田距電網距離較遠，若要實現農業灌溉，以前主要采用架設電網和采用柴油發電機組兩種方案。

(1)采用電網架設方式，存在的問題有：造價高，據初步測算，電網每架設1km，造價超過7萬元，部分地區甚至超過10萬元，成本非常昂貴；由于用電負荷距電網配電距離較遠，線路損耗大，負荷處電壓不穩；電網架設，施工復雜，建設周期長；電網架設占用耕地面積較大，且耕地中架設電網后，不便于機械化作業，給農業大規模生產帶來一定困難。

由于上述原因，此地區大部分農田未實現灌溉，少部分農田采用柴油發電機驅動水泵灌溉。

(2)采用柴油發電機組驅動水泵灌溉存在的問題有：柴油發電機，需消耗大量的柴油，能耗高、運行成本高，同時帶來巨大的環境污染；柴油發電機組屬機械運轉部件，故障率高，維護工作量大，費用高；無法實現全自動控制，必須要有人工值守。

三 光伏灌溉系統方案介紹

針對該地區采用架設電網及柴油發電均存在一定問題，我們將光伏揚水系統與灌溉技術有機結合，采用安徽頤和新能源公司設計制造的EHE-P系列光伏揚水系統，為其設計光伏灌溉技術解決方案(本文僅抽取其中一個7.5kW揚水系統為例)。

1 光伏灌溉系統

光伏揚水系統是區別于傳統的交流水泵應用系統的一種有效利用太陽能資源的揚水系統，它是利用太陽電池直接將太陽能轉化為電能，然后由光伏揚水逆變器來驅動交流電機拖動水泵，從深井、江、河、湖等水源取水，再輸送到目的地，以滿足我們對水的需求。此光伏揚水系統具有低碳、節能、環保的概念，也能明顯提高缺水、少水地區人們的生活水平。

光伏揚水系統可用于有太陽日照的陸地上，更適用于有水缺電地區，如沙漠治理、農業灌溉、林業澆灌、草原畜牧、海水淡化、生活用水、景區噴泉、水處理工程等。

系統主要由光伏陣列、光伏揚水逆變器、交流電機與水泵，以及管道及儲水裝置4部分組成。系統框圖如圖1所示。

圖1

光伏揚水系統工作原理為：光伏陣列吸收日照輻射能量，將其轉化為電能，為整個系統提供動力電源。光伏揚水逆變器將光伏陣列輸出的直流電轉換為交流電驅動水泵，并根據日照強度的變化實時地調節輸出電壓和頻率，實現最大功率點跟蹤，最大限度地利用太陽能。同時系統采用先進智能化檢測控制技術，可實現系統全自動運行。

光伏灌溉系統則是將光伏揚水系統利用到農業灌溉上的一個具體應用，它將光伏揚水系統取出的水通過灌溉系統(如滴灌系統、噴灌系統、溝渠等設備、設施)對農作物進行灌溉，達到節水、節能、增收的功效。

光伏灌溉系統較架設電網及柴油機的方案，存在的優勢有：

(1)綜合成本(初期投資及運行維護費用)較架設電網方案及柴油發電方案均低。

(2)系統安裝、操作、維護簡單，運行成本低。由于光伏灌溉系統運行過程無運動部件，無機械磨損，故障率低，維護費用低。

(3)系統直接將太陽能轉換為電能利用，無環境污染，無需支付能耗費用。

(4)系統采用智能化控制技術，具有完善的保護功能，可實現全自動控制，無需人工值守。

(5)系統采用IP65設計，可直接戶外安裝，無需建設專用機房。

(6)使用范圍廣，不受地域、外部環境的限制。

(7)系統采用變頻調速控制，實現水泵電機的軟啟動，避免水泵電機直接啟動的沖擊，可有效延長水泵及電機的壽命。

(8)可利用光照條件直接實現灌溉水量的自動調節，實現農田灌溉的用水平衡。

2 光伏灌溉與柴油機灌溉系統費用情況比較

以1.1kW水泵供水系統為例，我們將光伏水泵供水系統與柴油水泵供水系統做了一個投資運行費用情況比較，見表1(注：考慮到兩者灌溉系統投資及運行費用基本無變化，故表1僅包括供水系統，不包括灌溉系統)。

從表1可看出，1.1kW光伏供水系統較柴油供水系統初期投資高11000元，但每年運行費用可節約14490元；這樣投資光伏供水系統，當年即可節約3490元，第二年則可節約14490元。而且兩年后，柴油發電機組基本報費，需重新投資，采購柴油發電機組。所以光伏供水系統較柴油供水系統，經濟價值非常明顯。

3 7.5kW光伏灌溉系統方案設計

(1)光伏灌溉系統方案設計基本條件

本項目方案采用從深井中取水，根據業主提供的項目實施地的水文條件，水井動水位為井下40m；另當地主要灌溉月份為5月、6月、7月、8月，所以我們僅取項目實施地5～8月份日照時間模型，來作為項目方案計算依據。

根據調查當地氣象數據，項目實施地1～12月平均每天日照輻射強度見表2。5～8月平均每天分時日照輻射強度見表3。

表2 月平均日照輻射強度

(2)光伏灌溉系統方案計算

已知條件：水井動水位為井下40m，輸水管等傳輸壓力損失為6m，灌溉季節為5～8月，灌溉額定需水量約18t/h最大需水量約20t/h，平均日需水量約100t/h；光照強度如光伏灌溉系統方案設計基本條件所述。

表3 月平均每天分時日照輻射強度

①水泵的選擇

H=ηh

其中，H為光伏系統所需揚程；η為光伏系統揚程系數，取1.4；h為進水口所需壓力，取70m；

故水泵揚程選擇H=70m；參考水泵選型手冊，選擇7.5kW深井水泵，其揚程與流量對應參數見表4。

表4

②水泵逆變器的選擇

根據水泵，對水泵逆變器、光伏組件行匹配。水泵輸出功率為7.5kW，配套使用的光伏水泵逆變器輸出功率為7.5kW，選用EHE-P7K5H光伏揚水逆變器，其參數見表5。

EHE-P7K5H光伏水泵逆變器具有的特點有：具有先進的啟動技術、MPPT技術及高轉換效率設計，保證系統效率最大化；因采用高效設計技術，保證系統出水量最大化，同等配置情況下，出水量為目前業內最高；具有精確PID調節功能，可實現智能化揚水系統快速、準確、穩定的全自動智能調節，可完全無人值守；自帶無功補償功能，確保系統功率因數，降低能量傳輸線路損耗；完善的保護功能，包括打干、缺水、過載、欠壓、漏電等保護，確保系統安全可靠；可根據用戶需要，選配光伏/市電自動切換功能，實現光伏、市電的自由切換，增加光伏揚水系統的使用靈活性，對于供電不穩地區特別適用；包括各種遠程通信功能，可遠程查看、控制系統的運行狀態和運行模式；IP65防護等級的戶外系統，適應各種應用環境，低安裝成本；運行環境溫度范圍廣，最高可達70℃；完備的系統保護機制，延長系統的使用壽命；根據客戶不同需求提供各種解決方案，如防盜、GPS遠程通信、兼容市電輸入等需求。

表5 EHE-P7K5H光伏水泵逆變器參數

③光伏組件配置

光伏組件功率配置經驗公式為：

W=ηP

其中，W為光伏組件功率；η為光伏組件修正系數，取1.4；P為逆變器額定功率。

由式 (2)可計算出：

光伏組件功率W=1.4×7.5kW=10.5kW

綜合考慮逆變器的輸入電壓、電流，并考慮到系統配置的經濟性，本系統設計采用45塊230W電池板15串3并連接，電池板參數見表6。

表6 電池組件技術參數

④陣列占地面積計算

選用的45塊電池板擺放方式為2行23列的陣型排列，考慮到設計與制造的統一性，分別按8個陣列為一個子陣，共6個子陣，最后一個子陣空出3塊電池板的空間，安裝項目介紹牌。其安裝后的照片如圖2所示。

圖2

經過工程計算得：電池板安裝傾斜角為50?，電池板安裝面積占地約為75m2； 另考慮到電站系統的安全性，系統周圍設置護欄，內部設人行檢修通道等，綜合計算，占地面積約160m2。

⑤抽水量計算

根據當地每月的日照和溫度的不同分別計算了5～8月份的抽水量和輸出功率情況，計算結果見表7。其中，5月份每天分時相關數據見表8。

表7 5～8月份平均日抽水量及輸出功率情況

表8 5月份每天分時平均抽水量及輸出功率情況

由以上所述可知，該7.5kW光伏灌溉系統5～8月份，在滿足揚程要求的情況下，每天抽水總量分別為：120t、117t、103t、99t，完全滿足既定要求。

4 方案的實施

上述方案設計完成后，于2013年4月開始實施。

由于4月我國東北地區尚未解凍，給施工帶來較大難度；同時項目地點缺水缺電，又地處偏遠，交通不便，物資又較為匱乏。但項目人員克服種種困難，從設計到完成灌溉系統的調試，僅用了不到一個月的時間，如期在4月底完成灌溉系統全部改造工作，并交付客戶使用，通過客戶初步驗收，有效保證了客戶春耕季節的灌溉供水。為用戶的節能、節水、農業增產增收提供了強有力的保障。

在該項目實施中，我們發現由于實際水位較原始所提供數據有出入，實際水井靜水位為地下15m，動水位為地下2m，故水泵安裝地下28m。該項目設施的現場照片如圖3所示。

圖3 系統初步調試出水

四 項目實施后效果

項目實施完成后，我們抽取一天進行實際抽水量的測試（用灌滿一箱2.5t水箱所用時間計算），結果見表9。

從上述測試數據看出，平均抽水量約為30t/h(估算值)，當天工作時間自早晨5:00至晚上18:00，工作約13h，故每天抽水量估算390t，遠大于設計指標。

項目交付業主使用后，恰逢春播季節，該灌溉系統不僅滿足了業主自家田地的播種灌溉，尚有多余水以銷售形式輸送給周邊農戶灌溉，取得良好的經濟效益。

表9 龍江縣光伏灌溉項目7.5kW系統現場抽水測試

五 經驗

根據筆者項目設計經驗及在該項目實施過程中遇到的問題，總結以下經驗以供今后在類似項目實施時借鑒：

(1)項目地處東北，施工期短，要趕在春耕期前完成項目改造，必須在凍土情況下施工，這給施工帶來很大難度，又增加了項目施工成本，故要實施類似項目，應做好規劃，在非凍土季施工，可極大地節約項目成本。

(2)此類項目實施地點均為缺水缺電地區，所以項目實施前要做好充分的準備，技術方案與施工方案均要避免在現場用水、用電。

(3)組件支架的設計要充分考慮當地的自然條件，如積雪及風力，系統應能充分滿足最大雪載荷及風載荷的要求。

(4)由于地處較為偏遠的農田中，系統設計要充分考慮防盜與安全，特別是光伏電池組件與水泵逆變器，當有陽光照射時，系統即可能帶電，由于非專業人士的認知水平問題，可能有導致誤觸電的危險，所以系統設計時，必須要充分考慮防觸電的安全設計，包括增加防護欄、采用防隨意插拔連接器的設計等。

(5)由于很多地區灌溉季節較短，如果僅僅將光伏系統用于灌溉，則在非灌溉季節，太陽能源卻被白白浪費，為充分提高太陽能的利用率，在條件的許可下可為用戶設計光伏綜合利用系統，即在灌溉季節，光伏系統用于農業灌溉，在非灌溉季節，可利用光伏系統實現人畜用水的提水；或采用蓄電池儲能，用于家庭生活供電等。

六 結論

通過本應用實例可以看出，光伏揚水系統用于農業灌溉，技術上是完全可行的，且對于廣大缺水、缺電地區，較架設電網或采用柴油發電灌溉的方式，具有綜合投資少、節能、環保、可靠性高、使用、維護方便等特點，對農業增產、增收具有巨大的經濟價值。