風力和光伏提水泵站的優化設計探究

陳建剛

摘 要：近年來，隨著經濟的發展與技術的進步，我國風力和光伏提水泵站的技術水平更上一層樓，為農田灌溉、人工草場供水以及人畜用水提供了穩定的水資源，是我國農業以及畜牧業發展的基礎。但當前風力和光伏提水泵站的設計缺乏科學性，運轉效率不高，不能為現代農業的發展起到積極作用。基于此，本文分析了風力和光伏提水泵站的工作原理，并對如何優化風力和光伏提水泵站的設計提出了合理建議參考，以供相關部門或有關人員參考。

關鍵詞：風力提水；光伏提水；提水系統；用水需求

中圖分類號：TV675 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.086

文章編號：2095-6835（2016）20-0086-02

依托于風力和光伏提水泵站產生的能源屬于可再生能源，能有效緩解石油化工等傳統能源的緊張以及生態環境保護的雙重壓力，加之風力和太陽能的造價低、污染小、便于生產，受到了社會大眾的廣泛關注。近年來，隨著我國社會主義現代化事業的推進以及城鎮化的加速發展，“民生水利”“社會主義新農村”建設對風能、太陽能的利用提出了更高的要求。眾所周知，農村地區的供水、農田灌溉、灌溉草場等都離不開風力和光伏提水技術的支持。風力和光伏提水泵站的建立，一方面可在一定程度上緩解我國能源資源的利用壓力，另一方面還可以解決牧區、農區的用水問題。通過認真研究建成的風力和光伏提水泵站，其生產效益不理想，各項功能不完善，保證率不高。因此，只有從源頭上優化風力和光伏提水泵站的設計，才能建成功能齊全的風力和光伏提水泵站。

1 淺析風力和光伏提水泵站的工作原理

1.1 風力提水泵站的工作原理

人類較早開發利用的機械設備之一為風力提水。傳統的風力提水為低速運轉機械設備，屬于風車驅動的往復式積水泵，其對風能的利用效率低下，通常小于10%，出水狀態不理想，斷斷續續的非連續出水狀態無法滿足供水的需求。隨著科學技術水平的不斷提高，發電式提水系統逐漸取代了傳統的風車驅動提水系統，其運轉效率高、布置方式靈活多樣、安全性能較高。發電式風力提水系統的工作原理為：風輪可將收集到的風力進一步轉化為機械能，從而拉動風力提水泵站的運行。發電機與泵水設備利用控制器實現匹配兼容，達到提水的目的，提出的水通過輸水設備輸出到各個需要供水的地方，以滿足動植物的用水需求。

1.2 光伏提水泵站的工作原理

控制器、光電池以及光伏水泵是光伏提水系統的主要構成部分。太陽能輻射可以直接通過光電池轉化成電能，然后通過控制器的處理，將直流電轉化成交流電。只有交流電才能夠實現逆變，從而達到對水泵跟蹤和控制的目的。在光伏提水系統中，楊水是靠潛水電泵裝置實現的，主要包括配電系統、控制系統、潛水水泵、用水終端。其基本工作原理與風力提水系統的工作原理相似，特點是穩定性高、效率高，能基本滿足農田，蓄區以及草場的用水需求。

1.3 泵站設計的一般要求

無論是風力提水泵站，還是光伏提水泵站，其泵站設計的一般要求主要體現在以下3方面：①對于障礙物的控制。風能和太陽能屬于可再生資源，其產生具有特殊性要求。無論是風力提水泵站，還是光伏提水泵站，在修建時其四周都不可出現阻風和擋光的障礙物。如果不可避免障礙物存在，一定要注意障礙物與風力機之間的距離。主風方向與障礙物的距離至少要保持在5倍以上，其他方向的距離至少要保持在2倍以上。對于光伏陣列而言，其距離要以冬天障礙物的最長影長為準。②對于較大容器的提水泵站而言，要求建立專門的控制室，且必須搞好控制室的硬件設施，配備完整的取暖和通風設施，并搞好墻面的粉刷與地面的硬化工作；③蓄水池的位置。蓄水池一般選擇建立在高地，要注意控制蓄水池周圍的環境建設，不可在蓄水池周邊建垃圾場，以免水源遭到污染。

2 淺析風力和光伏提水泵站的優化設計

2.1 總揚程的確定

所謂“總揚程”，是對于風力提水泵站的設計而言的。在一定風速下，應保證供給水量與抽水水量的平衡。此時，出水口刀動水位的垂直高度與管道產生的阻力之間構成的和即總揚程。而對于光伏提水泵站的總揚程，是在定額電能作用下，保持供給水量與抽出水量之間的平衡狀態，距離與管道阻力之間的和。根據其公式表達式可知，總揚程就是終端垂直距離與蓄水池高度加上管道阻力之間的和。

2.2 泵站日均提水量的確定

一般而言，泵站日均的提水量是有定額可循的。在風力提水泵站中，其日均提水量的確定方式為：在日均一定的總揚程下，同級別風速下水泵流量與不同級別有效風速之間的乘積，然后除以365 d，這就是風力提水泵站日均提水量的確定方法。

在光伏提水泵站中，其日均提水量的確定方法為：在定額揚程的設定下，不同級別之間的有效光照加上流量乘積，就是光伏提水泵站日均提水量。風力和光伏提水泵站日均提水量的確定不僅可以優化供水方案，還能節省風能與太陽能等資源，是優化設計提水泵站的有效途徑。

2.3 設計蓄水工程

要想從根本上提高風力和光伏提水泵站的能力和水平，就需要不斷優化泵站設計的各個部分。只有這樣，才能達到理想目標。因此，不斷優化蓄水工程，是提高風能和光伏提水泵站科學性的關鍵所在。具體而言，應確定蓄水工程的形式。蓄水工程的建設要嚴格考察周邊環境，全面了解當地的地形地貌，確定建設材料的材質，把關蓄水工程的用途，選用與地形地貌相適用的水窖、水池或水罐等的形式。不可將蓄水池建在地質災害頻發的地區，應該將蓄水池建在高處，不易受到地質災害的影響。此外，還要注意控制風力、光伏提水機組揚程與蓄水池之間的高度差，蓄水池的容量要控制在總揚程之內，既不能超過總揚程的設定，也不能小于日均提水量的3倍。蓄水池建好以后，還需要在相應位置設置泄水道和堵水池，防止洪澇和旱災的影響。

2.4 輸配水工程的設計

當蓄水池建好以后，需要優化輸配水工程設計。在輸配水工程中，最主要的是輸水管線的設計和布置，應把握以下3個方面的內容：①位置的設計。在設計輸配水管線的過程中，要把握好蓄水池的位置，住戶的分布以及地形地貌等因素，既要滿足供水的需要，又要避免不良地段。②具體問題具體分析。輸配水管線的鋪設并不是統一規劃的，而是需要結合當地的地形地貌、經濟發展狀況以及住戶對水的需求量來確定的。當規模較小時，可以采用單管布置的形式；當規模較大時，則需要優先采用重力輸送的方式。③注重排氣閥的設置。輸配水管線每隔一段距離都需要設置自動排氣閥，保持管線內壓力平衡，降低因受壓不均而產生爆炸事件出現的概率。

3 結束語

綜上所述，風力和光伏提水泵站的工作機理大同小異，其根本目的都是為了滿足農田灌溉、草場灌溉以及牧區用水。為了不斷優化設計風能和光伏提水泵站的設計，要從其構成部分入手，加強輸配水工程的設計，優化設計蓄水工程，確定風力和光伏提水泵站的總揚程和日均提水量，從而實現風力和光伏提水泵站科學化的根本目標。

參考文獻

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