太陽(yáng)能光伏提水技術(shù)在低緯高原地區(qū)的應(yīng)用

趙茜　周自瑋　嚴(yán)娟　李婧媛　馬再波

摘 要：云南屬低緯高原地區(qū)，由于季風(fēng)氣候的影響，冬春季節(jié)性干旱頻發(fā)，加之山區(qū)面積占國(guó)土面積的94%，人員居住分散，人在山上住，水在山下流，水利實(shí)施難于覆蓋，造成干旱季節(jié)人畜飲水及灌溉用水困難。該文從云南太陽(yáng)能資源，太陽(yáng)能光伏提水原理及設(shè)計(jì)參數(shù)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益等方面，對(duì)應(yīng)用太陽(yáng)能光伏提水技術(shù)解決低緯高原干旱地區(qū)人畜飲水及農(nóng)田灌溉問(wèn)題的可行性進(jìn)行了分析，說(shuō)明光伏提水技術(shù)在云南干旱地區(qū)具有很好的應(yīng)用前景。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，建議水泵額定功率與陣列（組件）功率比控制在1.3～1.5之間；要求逆變控制器的控制能力（功率）介于水泵和電池功率之間，高位水池容量是日提水量的3倍以上，盡量采用雙泵聯(lián)動(dòng)技術(shù)，安裝方向?yàn)樽背掀?5°。已建成的75個(gè)示范點(diǎn)，光伏陣列總功率1 050.05 kW，年可發(fā)電1 310 410 kW·h，以煤發(fā)電相比，可減少二氧化碳排放1 396.77 t，減少標(biāo)煤消耗448.16 t。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能資源 光伏提水系統(tǒng) 光伏水泵 工程設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：P412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（c）-0099-03

太陽(yáng)能光伏提水系統(tǒng)也稱(chēng)為光伏水泵、太陽(yáng)能水泵或太陽(yáng)水泵，是利用太陽(yáng)能電池發(fā)出的電力，通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤以及變換、控制等裝置驅(qū)動(dòng)高效水泵，將水從低位提至高位，供農(nóng)田灌溉或人畜飲用。光伏提水是涉及太陽(yáng)能采集與變換、電力電子、電機(jī)、水泵等多門(mén)學(xué)科專(zhuān)業(yè)綜合配套的技術(shù)，具有低碳環(huán)保、就地開(kāi)發(fā)、個(gè)性化設(shè)計(jì)、全自動(dòng)運(yùn)行、日出而作、日落而息、無(wú)需人看守、不受電網(wǎng)限制、運(yùn)行成本低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

1 在云南推廣應(yīng)用太陽(yáng)能光伏提水技術(shù)的必要性

云南地處低緯高原，具有冬春季節(jié)性干旱，村寨位置高水源位置低兩大特點(diǎn)。雖然云南水資源總量居全國(guó)第3位，但水資源存在地域分布不均，垂直分布不均，時(shí)間分布不均；干流水資源豐富，但河谷深切，開(kāi)發(fā)利用困難，水資源開(kāi)發(fā)利用率僅為6.7%，遠(yuǎn)低于全國(guó)開(kāi)發(fā)利用率20%的水平。另外，云南為典型的山區(qū)多民族省份，居住習(xí)慣差異較大，造成全省農(nóng)村村民居住十分分散，農(nóng)村供水工程建設(shè)難度大、成本高，很難建成較大規(guī)模的集中供水工程。“資源性缺水、工程性缺水、水質(zhì)性缺水”并存，造成冬春季節(jié)人畜引水困難常態(tài)化。尋求一種科技含量高、易于建設(shè)、投資少、可應(yīng)用范圍廣的防災(zāi)減災(zāi)模式，解決人畜飲水及農(nóng)田灌溉問(wèn)題十分必要。光伏提水系統(tǒng)具有低碳環(huán)保、就地開(kāi)發(fā)、全自動(dòng)運(yùn)行、維護(hù)成本低、建設(shè)速度快的特點(diǎn)，正好符合這一需求。規(guī)模化示范推廣太陽(yáng)能光伏提水技術(shù)既可與“五小水利”工程形成互補(bǔ)，又可解決水資源開(kāi)發(fā)難度大、水源工程調(diào)控能力弱，工程性缺水嚴(yán)重地區(qū)人民群眾的飲水、用水困難。太陽(yáng)能光伏提水技術(shù)在云南邊遠(yuǎn)、水利基礎(chǔ)設(shè)施不足或難以進(jìn)行水利工程建設(shè)、電網(wǎng)難于覆蓋山區(qū)極具推廣價(jià)值，應(yīng)用推廣前景廣闊。

2 云南具備規(guī)模化應(yīng)用推廣太陽(yáng)能光伏提水技術(shù)的前提

2.1 云南太陽(yáng)能資源豐富

云南各地133個(gè)氣象臺(tái)站的數(shù)據(jù)分析說(shuō)明絕大多數(shù)氣象臺(tái)站（約90%以上）的平均年總輻射量在4 500～6 000 MJ/m2·a之間，其中尤以5 000～5 500 MJ/m2·a為最多（約45%）。這些地區(qū)主要包括滇中，滇南大部，滇東大部，滇西南，滇北大部分區(qū)域（即包括昆明，玉溪，個(gè)舊，文山，思茅，曲靖，臨滄，大理，麗江，潞西等地區(qū)）。少數(shù)幾個(gè)臺(tái)站其值還超過(guò)6 000 MJ/m2·a（永仁，麗江，元江、瑞麗），最高值高達(dá)6 167 MJ/m2·a（麗江）。低于4 000 MJ/m2·a的臺(tái)站只有位于滇東北的鹽津、大關(guān)、威信、綏江、滇西和滇西北的德欽、中甸，以及滇南的很小區(qū)域[1]。經(jīng)研究計(jì)算，云南省太陽(yáng)能資源總儲(chǔ)量為2.142 51×1 015 MJ/a，相當(dāng)于每年獲得標(biāo)準(zhǔn)煤731億t[2]極具開(kāi)發(fā)利用前景。

2.2 云南太陽(yáng)能資源可開(kāi)發(fā)利用的區(qū)域廣

按區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，云南省處于太陽(yáng)能利用豐富區(qū)。云南全年平均日照時(shí)數(shù)為2 200 h，太陽(yáng)能年輻射總量為3 615.7～6 667.1 MJ/m2·a，平均日照時(shí)數(shù)超過(guò)2 000 h的縣（區(qū)、市）就達(dá)94個(gè)，占全省總數(shù)的74.6%；太陽(yáng)輻照度大于5 000 MJ/m2·a的地域占全省面積的90%[3]。綜合考慮太陽(yáng)總輻射、日照時(shí)數(shù)、日照百分率3個(gè)要素的基礎(chǔ)上，王國(guó)海等人將云南省太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)區(qū)劃分為4類(lèi)區(qū)域：最佳開(kāi)發(fā)區(qū)、較佳開(kāi)發(fā)區(qū)、可開(kāi)發(fā)區(qū)、一般區(qū)。

（1）最佳開(kāi)發(fā)區(qū)：此區(qū)域內(nèi)年太陽(yáng)總輻射在6 000 MJ/m2·a以上，年日照時(shí)數(shù)在2 300 hr以上，年日照百分率在61%～53%之間。

（2）較佳開(kāi)發(fā)區(qū)：此區(qū)域內(nèi)年太陽(yáng)總輻射在5 500～6 000 MJ/m2·a之間，年日照時(shí)數(shù)在2 100～2 300 hr之間，年日照百分率不低于50%。

（3）可開(kāi)發(fā)區(qū)：此區(qū)域內(nèi)年太陽(yáng)總輻射在5 000～5 500

MJ/m2·a之間，年日照時(shí)數(shù)在2 100 hr左右，年日照百分率在45%～50%間。

（4） 一般區(qū)：在此區(qū)域內(nèi)年太陽(yáng)總輻射在5000 MJ/m2.a以下，年日照時(shí)數(shù)在2100 hr以下，年日照百分率不到40%。

太陽(yáng)輻照度大于5 000 MJ/m2·a的區(qū)域包含最佳開(kāi)發(fā)區(qū)、較佳開(kāi)發(fā)區(qū)、可開(kāi)發(fā)區(qū)3類(lèi)地區(qū)推廣應(yīng)用光伏提水技術(shù)。

3 太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心器件，其發(fā)展水平直接決定了光伏發(fā)電的發(fā)展水平。太陽(yáng)能電池種類(lèi)十分繁多，且結(jié)構(gòu)日趨多樣，轉(zhuǎn)換效率也明顯提高。在已市場(chǎng)化的太陽(yáng)能電池中，晶硅電池一直占據(jù)著太陽(yáng)能電池市場(chǎng)壟斷地位。截至2010年，在全球光伏組件市場(chǎng)中，晶硅電池組件所占比例高達(dá)85%～90%，據(jù)EPIA預(yù)測(cè)：至少到2020年，晶硅光伏組件仍將占據(jù)光伏技術(shù)的主導(dǎo)地位，因此晶硅電池仍將是未來(lái)光伏市場(chǎng)的主流產(chǎn)品[4]。目前晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)已成熟，市售太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18%以上，而且近年來(lái)價(jià)格有所下降，為光伏提水技術(shù)的規(guī)模化推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 光伏提水系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)原理

光伏提水系統(tǒng)核心部分由太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、光伏提水逆變器控制系統(tǒng)和提水系統(tǒng)3部分組成。太陽(yáng)能組件將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)變成電能，電能通過(guò)控制逆變器由直流電轉(zhuǎn)化為交流電，并通過(guò)控制逆變器驅(qū)動(dòng)光伏水泵提水，水經(jīng)過(guò)進(jìn)水管道到達(dá)蓄水池。為了減少勞動(dòng)力成本，實(shí)現(xiàn)提水自動(dòng)化，可附加水位監(jiān)測(cè)、水滿(mǎn)保護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等設(shè)備。部分水源水質(zhì)達(dá)不到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，需增加水質(zhì)凈化系統(tǒng)。

4.2 光伏提水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光伏提水系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要為光伏組件（含支架）、控制逆變器、光伏水泵3部分的功率大小及配比。

4.2.1 太陽(yáng)能電池陣列

由多塊太陽(yáng)能電池組件（陣列）串并聯(lián)而成，組件因系統(tǒng)配置不同，其功率、電流、電壓等技術(shù)參數(shù)差異很大。選用的電池組件必需達(dá)到國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求（GB/T 29195-2012）。由于光伏提水系統(tǒng)一般不配備儲(chǔ)能的電池，為充分發(fā)揮系統(tǒng)的效率，要求高位水池（蓄水池）應(yīng)足夠大，以便將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樗畡?shì)能，以?xún)?chǔ)水代替儲(chǔ)能。建議高位水池容量至少是日提水量的3倍。

4.2.2 太陽(yáng)能電池方陣支架

為了防止支架的自然腐蝕，電池方陣支架設(shè)計(jì)采用熱鍍鋅型鋼材，具有抗風(fēng)能力。在云南，為充分發(fā)揮系統(tǒng)效率，我們建議方陣方向坐北朝南偏西15°，支架基礎(chǔ)采用水泥澆筑。

4.2.3 光伏水泵

水泵按結(jié)構(gòu)形式分為多種，離心泵價(jià)格低噪音低、外形美觀(guān)、體積小，重量輕、使用維護(hù)方便、密封性可靠；柱塞泵價(jià)格高效率也高，但噪音大體積也大。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)資金投入、地型地貌選用。無(wú)論選用任何類(lèi)型的水泵，通過(guò)逆變器變頻技術(shù)調(diào)速控制后，可更好地保護(hù)和利用水泵，延長(zhǎng)水泵使用時(shí)間。離心泵額定功率由提水揚(yáng)程及提水量決定，測(cè)算公式如下所示。

為充分發(fā)揮系統(tǒng)運(yùn)行效率，水泵額定功率大于10 kW時(shí)盡量采用雙或多泵聯(lián)動(dòng)技術(shù)，這樣在太陽(yáng)能輻射量不足時(shí)，可自動(dòng)切換供單泵運(yùn)行，提高系統(tǒng)效率。

4.2.4 光伏逆變控制器

光伏逆變控制器的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行、控制和調(diào)節(jié)，將太陽(yáng)能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電驅(qū)動(dòng)水泵，并根據(jù)日照強(qiáng)度的變化實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)輸出頻率，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。為減少勞動(dòng)力成本，達(dá)到自動(dòng)提水和遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，逆變控制器中應(yīng)配置上下水位檢測(cè)及遠(yuǎn)程控制模塊。逆變控制器的控制能力（功率）應(yīng)介于水泵和組件功率之間。

4.2.5 組件功率和水泵功率比

為了能夠優(yōu)化配置光伏提水工程中的光伏功率和水泵功率，降低建設(shè)成本，屈盛等[6]人分析了控制逆變器的轉(zhuǎn)換效率、導(dǎo)線(xiàn)損失、光伏陣列的實(shí)際最大輸出功率等影響因素，推算出在云南省絕大部分地區(qū)光伏功率和水泵功率之比的優(yōu)化取值范圍應(yīng)在1.3～1.6之間。我們?cè)谠颇祥_(kāi)展了光伏提水規(guī)模化示范，建成75個(gè)示范點(diǎn)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明組件功率和水泵功率之比控制在1.3～1.5之間即可，以便降低投入成本。

4.2.6 光伏提水系統(tǒng)的特點(diǎn)

系統(tǒng)綠色環(huán)保，實(shí)現(xiàn)了零排放；無(wú)需配備蓄電池儲(chǔ)能，減少了投入成本；雖然太陽(yáng)能光伏取水系統(tǒng)在陰雨天和夜間不能抽水，但因其自動(dòng)運(yùn)行，只要基礎(chǔ)設(shè)施及系統(tǒng)設(shè)計(jì)配備合理，可將光照充足時(shí)的太陽(yáng)能變?yōu)樗膭?shì)能，用儲(chǔ)水替代儲(chǔ)能，確保用水安全；系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制包括每天的自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，蓄水池滿(mǎn)水、水源缺水自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，減少了勞動(dòng)力成本。同時(shí)采用了水泵的堵塞、斷相等保護(hù)措施，延長(zhǎng)了水泵和逆變控制器的使用壽命；系統(tǒng)可根據(jù)地型地貌進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，適用范圍廣，設(shè)計(jì)、建設(shè)簡(jiǎn)單，建設(shè)速度快；與柴油機(jī)、市電提水相比，光伏水泵系統(tǒng)具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

5 太陽(yáng)能光伏提水技術(shù)在云南的應(yīng)用現(xiàn)狀

2010年以來(lái)，云南連續(xù)多年冬春連旱，造成大范圍農(nóng)作物受災(zāi)及人畜引水困難，為充分發(fā)揮科技進(jìn)步在惠及民生、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展中的支撐引領(lǐng)作用，由云南省科技廳組織，云南省農(nóng)村科技服務(wù)中心牽頭，聯(lián)合多家光伏企業(yè)開(kāi)展了光伏提水技術(shù)研發(fā)及規(guī)模化示范推廣工作。為了提高系統(tǒng)的利用效率，系統(tǒng)中采用了最大功率點(diǎn)跟蹤、多泵聯(lián)動(dòng)、光伏變頻器弱功率滿(mǎn)足供電、光伏水泵水位和電機(jī)載荷檢測(cè)并無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)纫环N或多種專(zhuān)利技術(shù)。截止2014年12月底，云南投入科技經(jīng)費(fèi)1 431.7萬(wàn)元（主要為設(shè)備經(jīng)費(fèi)），在除德宏州外的州（市）共建成光伏陣列5～60 kW、水泵功率3.5～44 kW，凈揚(yáng)程50～700 m示范工程75個(gè)，總陣列功率1 050.05 kW，每年按300 d，每天按5 h計(jì)算，年可提水186.5萬(wàn)m3。解決了近15萬(wàn)人、9萬(wàn)頭大牲畜的冬春季飲水困難及部分農(nóng)田灌溉問(wèn)題。2015年投入科技經(jīng)費(fèi)500萬(wàn)元，計(jì)劃建設(shè)水泵功率5.4～7 140 kW光伏提水示范點(diǎn)26個(gè)，目前已建成8個(gè)。地方自籌資金建成光伏提水工程50個(gè)，目前云南共建成光伏提水示范工程135個(gè)。

6 太陽(yáng)能光伏提水的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

運(yùn)行成本：光伏水泵系統(tǒng)建設(shè)好后基本上沒(méi)有任何運(yùn)行費(fèi)用，相比之下，傳統(tǒng)的柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流市電水泵系統(tǒng)則需要較大的運(yùn)行費(fèi)用，因此光伏水泵系統(tǒng)比它們具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。在不考慮輸電線(xiàn)路、變壓器成本的情況下，以水泵額定功率為7.5 kW的提水系統(tǒng)為例，如果分別采用光伏發(fā)電、柴油機(jī)和交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)水泵，則這3種水泵系統(tǒng)的建設(shè)成本大約分別為11萬(wàn)元、0.7萬(wàn)元和0.3萬(wàn)元，假定1年運(yùn)行300 d、日均運(yùn)行5 h，交流電的電價(jià)按0.5元/（kW·h），柴油價(jià)按6元/L計(jì)算，25年的運(yùn)行費(fèi)用（不考慮更換柴油機(jī)，其他維護(hù)成本相同）分別為：光伏水泵系統(tǒng)運(yùn)行成本為0元；柴油機(jī)運(yùn)行成本（每發(fā)1 kW·h的電按220 g柴油，功率按8 kW算）為如下結(jié)果。

交流電運(yùn)行成本：

因此，即使不考慮柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流市電水泵系統(tǒng)的初期建設(shè)費(fèi)用，它們多年后的運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)超過(guò)光伏水泵系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用。

直接效益：科技經(jīng)費(fèi)建成的75個(gè)示范工程，光伏陣列總功率1 050.05 kW，年可提水186.5萬(wàn)m3，按3.45元/m3水價(jià)計(jì)算，年直接經(jīng)濟(jì)效益643萬(wàn)余元。間接效益則更高，如昆明市尋甸縣河口鎮(zhèn)水冒天村委會(huì)太陽(yáng)能光伏取水示范工程水源點(diǎn)有3 000畝烤煙地，但種煙季節(jié)無(wú)定根水澆灌，2013年經(jīng)項(xiàng)目實(shí)施，解決了保苗定根水問(wèn)題，年可增加經(jīng)濟(jì)收入1 200萬(wàn)元。

6.2 生態(tài)效益

光伏陣列發(fā)電量=傾斜面接受的太陽(yáng)能輻射量（kW·h/m2/d）×有效面積（m2）×組件轉(zhuǎn)換系數(shù)×系統(tǒng)效率×天數(shù)

按組件效率=17%、系統(tǒng)效率平均=80%、日均輻射量=4.19 kW·h/m2/d（按年均輻射5 500 MJ/a計(jì)算），1 kW有效面積6 m2；按發(fā)電標(biāo)煤平均消耗342 g/kW·h計(jì)算，則每發(fā)1度電產(chǎn)生的二氧化碳為：342 g×0.85/12×44=1 065.9 g。

1 kW年光伏陣列發(fā)電量=4.19*6*17%*80%*365= 1 247.95 kW·h，75個(gè)示范工程光伏陣列總功率1 050.05kW，年發(fā)電量=1 050.05*1 247.95=1 310 410 kW·h，以煤發(fā)電相比，可減少二氧化碳排放=1 310 410*1 065.9/1 000 000=1 396.77 t，

減少標(biāo)煤消耗=1 310 410kW·h*342 g/kW·h/1 000 000=

448.16 t。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）云南省地處低緯高原，冬春季節(jié)性干旱明顯，村寨位置高水源位置低，冬春季節(jié)人畜引水困難已成為常態(tài)。實(shí)踐說(shuō)明充分發(fā)揮科技進(jìn)步在惠及民生、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展中的支撐引領(lǐng)作用，合理利用云南豐富的太陽(yáng)能資源，推廣應(yīng)用太陽(yáng)能光伏提水技術(shù)解決邊遠(yuǎn)山區(qū)人民群眾的飲水、用水問(wèn)題，是一種切實(shí)可行的方式。尤其適用于一般水利工程建設(shè)困難、電網(wǎng)難于覆蓋水源點(diǎn)的地區(qū)。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)，建議水泵額定功率與陣列（組件）功率比控制在1.3～1.5之間，逆變控制器的控制能力（功率）應(yīng)介于水泵和電池功率之間，高位水池容量是日提水量的3倍以上，盡量采用多泵聯(lián)動(dòng)技術(shù)，安裝方向?yàn)樽背掀?5°。

（3）已建成的75個(gè)示范點(diǎn)，光伏陣列總功率1 050.05kW，年可發(fā)電1 310 410kW·h，以煤發(fā)電相比，可減少二氧化碳排放1 396.77 t，減少標(biāo)煤消耗448.16 t。

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