太陽能光伏發電供水系統在黃土高原的應用

任育才，周 毅

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢430010；2.武漢大學，湖北 武漢430072）

1 引言

我國西北的黃土高原，屬于干旱貧瘠的土地，年降雨量僅400mm，農業生產基本靠天收成，個別地區人畜飲水都是問題。如何解決好這些地區水的問題，是當前一個重要課題。近些年新興的太陽能光伏發電，是解決輸水動力的一個有效手段。通過小規模光伏發電供水系統的生產性試用，逐步總結和積累經驗，便于較大規模的推廣。

早期開發太陽能光伏的是歐美國家和日本。自1969年世界上第一座太陽能電站在法國建成，太陽能發電的比例在歐美國家逐漸提高，光伏技術也在不斷發展。其中，歐盟是世界上光伏發電量最大的地區，到2008年，該區域占全球光伏發電量的80%。

我國是太陽能資源豐富的國家之一，有76%的國土光照充沛，光能資源分布較為均勻，并有荒漠108萬km2，主要分布在光照資源豐富的西北地區。太陽能作為清潔、安全可靠、永不枯竭的新能源，近些年在我國也有了較快的發展。

2 黃土高原水資源開發與利用分析

我國黃土高原主要位于甘肅東北部、寧夏南部、陜西北部及山西的西部地區。這些地區經過幾百萬年的雨水的沖刷，把黃土高原切割成了縱橫的溝壑、墚、塬、峁并存的特有地貌特征。這些地區屬于暖溫帶，半干旱季風氣候，年降雨量一般在400～600mm，年日照時間約為2400～2500h。該地區降雨主要集中在夏秋季節，冬季少雪，春季基本無雨，可謂春雨貴如油。這個季節，正是冬春農作物需水季節，但此時卻很少降水，只有溝壑底部有些小溪流，要想灌溉，就需從溝底將水抽至塬上方可進行。在干旱年份，如遇上春夏連旱，不但農作物會欠收或絕收，就連農民吃水都成為一大問題。因此，解決這些地區水的問題，是一個長期而艱巨的任務。

一般情況下，在該地區水源與用水點距離較遠，或者用水點高程高于水源水位80～100m，必須依靠水泵加壓輸送。現階段這些區域因經濟發展水平和人口、工礦企業比較分散等條件受限，很多區塊沒有布置市電，所以，需要用獨立發電設備（柴油機或用光伏發電系統）帶動水泵抽水。

光伏系統是近些年發展起來的綠色新能源，在西北黃土高原地區應用有著下列優勢：符合國家節能減排的戰略要求。節能減排是我們的國家戰略，光伏系統是典型的清潔能源，在不增加廢棄物排放量的前提下，有利于開發利用了該地區的水資源；這些地區年日照時間約為2400～2500h，利于光伏系統的應用；價格有不斷下降的趨勢，在5年前的光伏板價格是現在價格6倍。一塊國產200W 的光伏板現價550元，這也給它的應用提供了現實可能，而且今后如果需要擴大使用規模，單位成本也將更低；獨立發電系統的優勢，這些地區多是峁頭、墚地，基本比較偏遠，很多地點沒通市電，拉專線成本很高，用光伏系統就有其成本優勢；管理簡便，系統簡單，管理維護方便，體量小成本低，可大范圍推廣。同時光伏系統也有一定的缺點：獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關；與市電相比，發電成本偏高。

3 案例分析

3.1 系統的工作條件概況

有一成功的工程案例用于農業灌溉、生產及生活。它位于陜西省洛川縣境內，是黃土高原中部的一個山峁、墚地農場，有平整土地50余畝，加山坡地共100余畝，抽水高差約80m。根據以上土地規模、地形高差，設計光伏供水系統的基本情況如下。

作為系統的供電部分，包括光伏板、控制器、蓄電池及逆變器等部件。它的核心部件是光伏板，8塊光伏板年發電總量大于3840kW·h。

作為系統供水部分，水泵抽水流量：2m3／h，揚程：120m。這樣每天平均8h 抽水，每天可抽16m3，全年250d，抽水總量為4000m3，每畝40m3，相當于60mm 的降雨量，用現代節水灌溉方式，每次10～15mm，可灌溉4～6次，基本滿足該地區農作物冬春旱季時期的灌溉需求。夏秋季雨水相對較多，基本可滿足農作物的生長需求。

3.2 光伏系統的輔助功能

光伏電源除滿足水泵提水外，還可滿足噴灌系統供電，噴灌山坡草地。另有一個功能就是，給農場提供生活用電及用水，養豬場每月可用60m3水，飲用水從蓄水池抽至室內蓄水箱，經過濾器過濾后供生活飲用。該系統可滿足一臺電腦，一臺電視、冰箱及照明需求，總負荷約1000W。

4 太陽能光伏發電供水系統設計

4.1 可選用電力系統比選

各種電力系統比較詳表1。

表1 電力系統財務比較表

通過表1的綜合分析，市電增容費太高，不可采用；光伏與柴油發電10年的綜合費用比較，光伏為12600元，柴油發電為13440元。由此看來光伏發電比柴油發電有綜合價格優勢，同時，光伏發電有管理方便、綠色無污染的優點，因此，光伏是發電系統的首選。

4.2 光伏發電供水系統原理與設計

4.2.1 光伏發電的原理

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池，太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。光伏供水系統工藝框圖如圖1。

圖1 光伏發電供水系統

4.2.2 光伏發電設備

（1）光伏板。光伏板是發電系統的核心設備，根據我國現有的產品規格，選擇了200W 的光伏板。外框裙邊尺寸：1580mm×808mm×45mm。輸出功率：200W；輸出電壓：36.0V；峰值電流：5.55A，開路電壓：43.5V；短路電流：5.85A。

（2）控制器是光伏系統充放電的控制設備。系統電壓：24V；系統電流：80A；空載損耗：20mA；光伏板輸入電壓：55V；超壓保護：33V；均衡充電電壓：29.2V；工作溫度：-25C°～＋60C°。

（3）蓄電池。采用免維護鉛酸蓄電池，12V-100A電池4個，每組兩個串聯，兩組并聯使用，系統直流電壓：24V。

（4）逆變器。主要功能是將直流電轉變為交流電。額定輸入電壓：DC-24V；輸出電壓：AC-220V；額定功率：4000W；空載電流：1.3A；工作環境：-10C°～＋50C°。

4.2.3 供水設備

（1）水泵選擇及參數。水泵是供水系統的核心設備，目前市場上可供選擇的水泵為多級潛水泵、多級離心泵及螺桿泵。系統要求，該水泵為小功率、小流量、高揚程，根據這些特點，多級潛水泵及離心泵的功率、流量普遍偏大，揚程偏小。通過3種泵的比較，螺桿泵特點為楊程高，流量小，功率較小，符合要求。參數為：流量Q＝2.0m2／h；揚程H＝120m；功率P＝750W；電流I＝5.2A；電壓：220V。

（2）提升管道。根據設計流量、壓力、防腐要求及使用條件，系統選擇了DN25鍍鋅鋼管，管長250m。管道水力參數為：Q＝2.0m2／h，i＝0.175，v＝1.16m／s。

4.3 投資預算及投資效益

投資預算詳表2。

表2 投資預算表

由上表顯示，該系統總投資為20000元，每年抽水4000m3，可滿足農場100 畝土地灌溉需求。其中該農場中有10畝蘋果園，原來由于是旱地，畝產只有3500多斤，灌溉后會增收500kg，按2013年當地市場較低出園價1 元／kg計，每 畝 增 收2000 元，10 畝 共 計20000元，當年即可收回建造成本。至于農業水資源費，現行國家規定，限額內免費，限額外按標準0.002元／m3收取，4000m3為8元，則可忽略不計。這只是農場的部分凈收益，隨著農場各種經濟實體的不斷完善，經測算，由此所帶來的整體效益至少增加30%以上。

4.4 系統設計的幾點經驗

（1）對于光伏供水系統的設計，由于缺乏經驗，農場的需水量與現有市場設備的選用匹配，既要滿足需要，又要經濟可靠，是一個很麻煩的問題。例如：光伏板選多大，多少塊合理，由于無規范，都要經過計算和測算相結合的方式確定；又如：市場上高揚程小流量的水泵非常難找，經反復比選，最后選擇了工程中不常用的小型螺桿泵。

（2）由于溝底距塬頂自然高差80m，水泵揚程為120m，在水泵突然停電的情況下，則會產生水錘，易使管道破裂。為了防止水錘的發生，在選擇管道時，著重對管材進行比選。目前，可供選擇的管材為PE 管和鍍鋅鋼管，經比選采用了鍍鋅鋼管，它具有耐壓等級高，使用壽命長，系統安全的優點。為了使系統更安全，在供水管的下端處，加裝了安全閥。

（3）由于螺桿泵對泥沙的敏感度很強，水中含砂極易造成泵軸的磨損，縮短壽命。所以，取水頭部的設計，對進水濁度要求很高，應達到10°以下。既要保證低濁度，又要保證長期不堵塞，這是系統的一個主要控制點，詳見圖2。

圖2 取水頭部設計

（4）由于黃土高原位于西北，案例所在地冬季較為寒冷，一月份平均氣溫約為-6.7°C，極端氣溫為-25.4°C，最大凍土深度為750mm。所以，為了防凍，管道必須埋設于800mm 以下，同時還要對取水頭部作加厚覆土的防護處理。

4.5 運行效果

該系統建成后，經過一段時間運行，效果達到了設計要求。系統既滿足了農田灌溉，也滿足了日常生活需求。在農場里呈現出果樹經濟林、農作物、牧草、養豬場及沼氣池的各種經濟形態，形成了一套以水為紐帶，功能齊全而完整的循環經濟鏈。

5 結語

太陽能光伏發電供水系統，在西北黃土高原偏遠地區的實施，對解決農業灌溉、生活用水是個有效手段。通過一個具體工程案例的實施，介紹了系統的設計原理、設備組成及主要參數，并進行了簡要的技術經濟分析。采用了節水灌溉的方式，有效節約了寶貴的水資源。用種草植樹改變植被的方法，對小流域綜合治理而抑制水土流失，起到了積極作用。同時，農戶發展多種經營，增加了穩定收入，它既有可觀的經濟效益，也產生了良好地社會效益。因此，光伏供水系統在該地區有著廣泛而重要的推廣價值。

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