太陽能光伏發電在提灌站的環保應用研究

鄒 渝， 劉 旭， 崔 海 保

(1.四川水利職業技術學院，四川 成都 611230;2.西昌市水務局，四川 西昌 615000;3.成都錦匯綠源環保技術有限公司,四川 成都 611730)

太陽能光伏發電在提灌站的環保應用研究

鄒 渝1， 劉 旭2， 崔 海 保3

(1.四川水利職業技術學院，四川 成都 611230;2.西昌市水務局，四川 西昌 615000;3.成都錦匯綠源環保技術有限公司,四川 成都 611730)

介紹了太陽能光伏發電提灌站工程應用實例。在綜合考慮建設成本、運行負荷、地理緯度、氣候變化及環境效益等因素后，設計并安裝了光伏提灌系統。運行結果表明：太陽能光伏發電的發電量能夠滿足提灌站的電力供應要求且運行穩定，同時工程未破壞環境，從而為農業提灌的動力供應開辟了新的能源來源，具有廣闊的應用前景。

光伏發電；提灌站；電力供應

1 概 述

太陽能光伏發電在路燈照明等小功率設備上的應用取得了良好成果，但其在功率較大的提灌站應用才剛剛起步。筆者根據涼山州會理縣某鄉村太陽能光伏提灌站運行結果，認識到光伏發電的電量能夠滿足提灌站的電力供應要求，綠色節能、符合低碳環保的發展趨勢。

四川省會理縣某鄉村缺水土地面積6 000畝(1 hm2=15畝)，缺水人口為837戶、3 186人，其干旱期缺水引起了政府部門的高度重視。

由于缺水地區位置偏遠，農村電網接線距離遠，提灌站輸電架線成本高，而采用柴油發電機抽水污染環境且運行成本高，村民無法承受。

四川省會理縣屬于亞熱帶氣候，光熱資源十分豐富，年均日照2 388 h。經綜合比較后認為建設太陽能光伏提灌站具有較好的條件，其能夠保證在不產生環境污染、不破壞環境生態的前提下滿足提灌站的電量需求。

1893年，法國某科學家發現的“光生伏特效應”，即“光伏效應”揭開了光伏發電的研究史，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[1]。光伏發電系統是由太陽能光伏板方陣、逆變器、交流配電柜、太陽跟蹤控制系統等設備組成。從劉惠萍，劉惠雯等[2]的計算數據可以看出：根據用電量需求布置不同規模的光伏板陣列，光伏發電的電量可以滿足不同規模的設備用電需求。錢伯章[3]的研究說明：我國的光伏發電成本接近常規發電成本價格，在電能短缺、光照充足的區域，太陽能發電可以廣泛地應用在工業、農業生產上。

2 光伏提灌系統設計

2.1 電氣連接圖

由電氣連接圖(圖1)可以看出：該系統由太陽能電池板、光伏陣列、逆變器、水泵組成。

圖1 電氣連接圖

2.2 主要設備

(1)太陽能電池板是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應或光化學效應直接或間接轉換成電能的裝置，根據材料的不同分為晶體太陽能電池、非晶硅太陽能電池以及多元化物太陽能電池。考慮到將其作為給農村水泵供電的動力，在光電轉換效率幾乎同級別的情況下，節約電耗以及較低的生產成本是其首選，因此，本組件選擇SYP240P太陽能多晶組件。SYP240P太陽能多晶組件的性能參數見表1。

十九片組件組成一個陣列，以便于安裝與維修，選擇離地高度為0.5 m。可以使用韓斐，潘玉良，蘇忠賢[4]等的理論計算公式：

表1 SYP240P太陽能多晶組件主要技術參數表

(1)

式中β為年最佳傾角；Qy為傾角為β的太陽能光伏板表面1 a時間內接受的總輻射。

由該鄉村的地理緯度、海拔高度得到太陽能光伏板年最佳傾角為28°。鑒于陣列件的距離對電站的輸出功率和轉換效率非常重要，錯誤的安裝會導致后排的太陽光被前排遮擋。可以使用吳永忠，鄒麗珺等[5]的計算公式：

Ls=L·ctgh·cosα

(2)

式中Ls為影子長度；L為陣列高度；h為太陽高度角。

根據相關數據，優化選擇間距為1 m，得到組合光伏陣列總功率為45 600 W。

(2)逆變器是一種由半導體器件組成的電力調整裝置，主要用于把直流電力轉換成交流電力。日照強度和環境溫度均會影響光伏陣列的功率輸出，因為其必須通過逆變器的調節使光伏陣列的輸出電壓趨近于最大功率點輸出電壓[6]，光伏揚水逆變器不但能起到良好的調節作用，而且能夠保證水泵的轉速不超過額定轉速。根據光伏電池陣列以及提灌的水泵電機，本系統選擇PB37KH型揚水逆變器。PB37KH型揚水逆變器的性能參數見表2。

表2 PB37KH型揚水逆變器主要技術參數表

(3)水泵為輸送液體或使液體增壓的機械。由于太陽的輻射強度隨日、月、陰、晴等氣候因素的變化而變化，因此，光伏水泵的最高效率應是針對某一地區的日、月、季、年等因素的平均效率，而不是通常水泵設計中要求的設計點、工況點的最高效率。該鄉村的主要水源是溪溝水和地下孔隙水，需要深井泵提水。根據其日供水量以及揚程的需求，本系統原打算選擇的是CDL42-90輕型立式多級離心泵。CDL42-90輕型立式多級離心泵的性能參數見表3。

表3 CDL42-90輕型立式多級離心泵主要技術參數表

CDL42-90輕型立式多級離心泵的性能曲線見圖2。

考慮到容積泵可以保證在發電量不斷變化的情況下一直出水，只是水量大小有變化。于是將CDL42-90輕型立式多級離心泵換成CDL42-90輕型立式多級容積泵，性能參數等與CDL42-90輕型立式多級離心泵一致 ，此處不再列出。

3 系統運行情況

3.1 民生效益

僅使用這一套光伏提灌系統，會理縣該鄉村年發電量達到了8.7萬kW·h，替代了柴油發電機和供電管網，該鄉村每年有效灌溉時間為6個月(水稻和玉米各3個月)，年新增灌溉用水151 100 m3，解決了800戶、約4 000人的安全飲水問題，解決了1 200頭大牲畜的飲水問題，解決了1 074畝缺水土地的灌溉問題。

圖2 CDL42-90輕型立式多級離心泵性能曲線圖

3.2 環境效益

本項目運行環境影響評價顯示：光伏系統在運行中沒有廢氣排放，不會對當地環境空氣質量產生影響。沒有明顯的噪聲源，基本不會對周圍環境敏感目標產生影響；本項目固廢產生量小，且固廢成分簡單，基本為生活垃圾，依照環評措施處理后，對環境影響較小；項目服務壽命達到之后，拆除的廢光伏組件均由生產廠家回收，不會對環境產生二次污染影響。

4 結 語

采用太陽能光伏提灌站，無污染、穩定、總成本較低廉，可以利用農村有限的資源獲得較大的效益，該系統的供水滿足《四川省農業灌溉用水定額》，已成為其他農村地區示范性工程。太陽能光伏提灌站仍有很大的提升空間，且具有廣闊的應用前景。

[1] 劉瑞蘭. 對太陽能光伏發電系統的研究分析[J]. 硅谷,2013,124(4):46-47.

[2] 劉惠萍,劉惠雯. 太陽能光伏發電路燈照明工程設計方法探析[J]. 建筑節能,2009,37(12):45-48.

[3] 錢伯章. 太陽能光伏發電成本及展望[J]. 中國環保產業,2009,130(4):24-28.

[4] 韓 斐,潘玉良,蘇忠賢. 固定式太陽能光伏板最佳傾角設計方法研究[J]. 工程設計學報,2009,16(5):348-353.

[5] 吳永忠,鄒立珺. 光伏電站太陽能電池陣列間距的計算[J]. 能源工程,2011,141(1):39-40.

[6] 董 密,羅 安. 光伏并網發電系統中逆變器的設計與控制方法[J]. 電力系統自動化,2006,30(20):97-102.

[7] 劉厚林,袁壽其,施衛東,袁建平. 光伏水泵系統及其應用前景[J]. 水泵技術,2002,122(2):43-45.

[TK-9]

B

1001-2184(2017)04-0101-03

2017-05-10

鄒 渝(1979-)，男，四川榮縣人，講師，學士，從事環境工程、新能源應用方面的研究；

劉 旭(1981-)，男，四川西昌人，工程師，從事太陽能光伏發電應用研究；

崔海保(1981-)，男，安徽蚌埠人，工程師，碩士，從事環保、新能源應用研究.

(責任編輯李燕輝)