北方牧區新能源供水泵站技術研究

王世鋒，侯詩文，曹 亮

(水利部牧區水利科學研究所，呼和浩特 010020)

0 引 言

牧區人居分散，電網建設因線損高、效益低，目前絕大多數地區處于無電網現狀。這些地區非常適合建設風能、太陽能為動力的供水泵站。根據不同典型牧區的特點，將風能太陽能系統與供水系統相集成，在牧區水源、水質相對較好地區采用新能源分散供水即高位水箱重力供水或壓力罐供水一家一戶的供水模式；在水資源匱乏的地區解決牧區利用深層地下水，采用集中供水的供水模式。并將現代控制技術與供水系統相集成，實現全天候、高保證率、自動供水技術。

在我國牧區、欠發達農村、山區及邊防哨所等地區，由于多數地處高寒、人居分散，飲水水源埋深深，由于這些地區環境特殊和微小的供水量，至今人畜安全飲水問題未得到解決，其原因是缺乏適用的、經濟的成套技術解決方案。本文的提出我國新能源微小型供水模式，解決偏遠地區的飲水困難問題，實現人畜自來水化供水。為這些地區提供因地適宜的供水技術方案意義重大。牧區人畜供水工程是我國水利建設的一項重要內容，牧區供水事業的發展，直接關系到該地區的經濟發展和人民生活水平的提高，也是為農村牧區水利現代化建設及我國全面部署實施鄉村振興戰略提供技術支撐。

1 供水泵站風能太陽能容量確定

1.1 太陽能設備容量的計算

太陽能供水泵站裝機容量的計算表達式為：

(1)

式中：N為光伏系統容量，W；ρ為水密度，kg/m2；g為主力加速度，m/s；Qmax為水泵峰值流量，m3/h；H為揚程，m；k1為流量修正系數；k2為水泵型式修正系數；k3為電力傳動修正系數；k4為太陽能資源修正系數；k5為光伏陣列跟蹤修正系數。

公式中修正系數見《光伏提水工程技術規程》中4.7。

1.2 風能設備容量確定

風力發電供水機容量按下列公式確定。

(2)

式中：Qz為日供水量，m3；t為風力機滿負荷工作小時數(4～6 h)，h；P為風力機功率，W；η1為水泵效率，%；η2為發電機效率，%。

2 風能太陽能供水模式

2.1 分散供水模式

牧區分散供水模式適用于居住分散地下水量相對充沛、埋深較淺的地區。采用一家一戶的分散供水形式。牧區分散式供水水源多為管井、大口井、輻射井、滲渠、截伏流、泉室、水窖等取水構筑物，取水水源主要是淺層地下水和局部地表水。

2.2 集中供水模式

牧區集中供水模式適用于牧區人畜飲水以地下水為主，這些區域的地下水一般埋深較深，水源井深約80～150 m，水質好，水量相對充沛，涌水量2～10 m3/d的地區。

2.3 風能供水泵站模式研究

適合年平均風速大于等于2.5 m/s，年平均有效風能密度大于等于300 W/m2，年有效風速小時數大于3 000 h的干旱、大風的牧區。北方牧場80%的地區可使用風能作為動力的牧場供水模式。

牧場風能供水系統由以下部分組成(圖1)：取水建筑物、風力機(或風力發電機)、控制系統、提水裝置(泵)、輸水管線、用戶、蓄水池。

圖1 風能供水泵站示意圖

2.4 太陽能供水泵站模式

適用于山區、風速小、海拔高、嚴寒的牧區，太陽能資源：年平均日照小時數不小于2 200 h；年平均總輻射量不小于1 400 kWh/(m2·a)。極限最低溫度-40 ℃，極限最高溫度+60 ℃。50年一遇的最大風速不大于50 m/s。

太陽能供水泵站由以下部分組成(圖2)：太陽電池板、支架、基礎、蓄電池組(如有)、控制系統、水泵、取水建筑物、輸水管線、蓄水池(如有)、用水終端、安全防護網等。

1-水源；2-提水主泵；3-光伏系統；4-轉換開關；5-上游水管；6-蓄水池；7-裝車輔泵；8-下游水管；9-運水車圖2 太陽能供水系統示意圖

2.5 風光互補供水泵站模式

太陽能資源Ⅱ類及以上可利用地區，年平均風速大于3 m/s以上牧區地區，均可適用風光互補牧區供水泵站模式。

北方牧區，太陽能夏季大，冬季小，而風能夏季小，冬季大，所以可利用風能太陽能兩者的變化趨勢基本相反地自然特性，揚長避短，相互配合，發揮出可再生資源的最大效應。同時單一電源因資源在時、空、量、序上的隨機性，引起出力不均，其互補發電不但比單一發電更高效、可靠、經濟，更重要的是互補后出力穩定。

風能太陽能互補供水模式由水源(機井)、風力提水機組、太陽能動力系統、控制器、輸配水管網、水泵、蓄水池組成(圖3)。

圖3 風能太陽能供水泵站組成示意圖

3 實例分析

以內蒙古某地建設的一個太陽能為動力供水泵站模式為例，其每天的需水量為32 m3，要求水泵揚程為100 m，額定流量為6 m3/h(太陽能提水泵站只有在額定功率點運行時才能達到最大流量，絕大部分時間流量都在額定流量以下，一天工作8 h，折合滿負荷運行時間5～6 h)。

3.1 代表日光資源分析

太陽能光伏提水系統，一般當水平面輻射量達到或大于200 Wh/m2時，系統便可提水工作。而太陽能輻射量在一天中的變化規律是：由零到極值再由極值到零而變化的，不同地區只是變化數值不同而已。內蒙古某地代表日水平面太陽能總輻射量日變化見表1和圖4。

表1 代表日水平面太陽能總輻射量日變化表 kWh/m2

圖4 代表日水平面太陽能總輻射量日變化

3.2 太陽能泵站裝機容量的確定

太陽能泵站的裝機容量主要取決于提水揚程、流量和太陽能資源，同時也與水泵型式、傳動方式等因素有關。裝機容量的確定采用公式(1)進行計算。

當揚程100 m，流量為6 m3時。需太陽能電池系統裝機容量為3.37 kWP。

3.3 代表日提水量

為保證供水的可靠性和工程的匹配性，采用日提水量計算確定裝機容量時，將理論值3.37 kWP修正為3.5 kWP(以下分析計算均采用該修正值)，依據該地區的太陽能資源計算得到日各時段的實際提水量如表2。

表2 代表日各時段提水量 m3

合計理論總提水量為32 m3，可滿足3 000 只羊,10戶牧民的飲水問題。

如果建設風能供水泵站，根據用戶的日用水量，結合當地的風能資源(不同風能資源滿負荷小時數t取值不同)，通過公式(2)即可得到風力發電機的裝機容量；如果建設風光互補供水泵站，單一能源提水存在連續無風或者連續的陰雨天氣，根據《風力提水工程技術規程》的規定，蓄水工程的設計容量不應小于最大日用水量的3 倍。而風能太陽能互補后按照《村鎮供水工程技術規范》的規定，能源有可靠電源和可靠供水系統的工程，單獨設立的高位水池可按最高日用水量的20%～40%設計，相比之下大大降低供水工程的造價。通過建設地資源情況以及泵站整體經濟性分析，合理分配太陽能提水、風力提水的日提水量，確定了兩種能源分別需要滿足的日提水量后，通過公式(1)和公式(2)可計算出太陽能電池、風力提水機的裝機容量。

4 供水泵站經濟性分析

4.1 項目的投資

風力供水、太陽能供水、傳統柴油機供水單位千瓦造價(一次性投入)見表3。

4.2 總成本費用

①年運行費見表4。②折舊費見表5。③年運行滿負荷小時數見表6。④單位千瓦時投資及千瓦時費用見表7。

通過上述風能供水、太陽能供水、內燃機供水工程的經濟性分析可知，1 kWh運行費用內燃機>風力提水>太陽能提水。

表3 供水設備單位千瓦造價 元

表4 年運行費用 元

表5 單位千瓦折舊費用

表6 運行滿負荷小時數

表7 單位千瓦時投資及千瓦時費用

每立方提水成本內燃機>風力提水>太陽能提水。

5 結 語

發展牧區風能太陽能供水泵站模式是解決牧區安全供水的一個有效途徑。采用風能太陽能作為供水的能源動力可解決北方牧區電網未及問題。

通過對風能太陽能轉化電能的計算、供水泵站模式的合理選擇，科學的匹配供水泵站中的各個部件，不僅能夠節約供水泵站成本，還可以增加泵站的運行壽命、提高供水保證率。通過對案例的具體計算，體現了風能太陽能供水泵站中具有很好的技術、經濟效益。也可為今后我國無電牧區建設風能太陽能以及多能互補供水泵站提供參考與借鑒。

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