一種風光互補高效提水裝置的研究＊

□陳爽 蔣輝霞 劉波 何清燕/四川省農業機械研究設計院

1 研究背景及意義

在“十三·五”規劃中，中央明確提出“推動能源生產和利用方式變革，構建安全、穩定、經濟、清潔的現代能源產業體系”，要求“堅持把建設資源節約型、環境友好型社會作為加快轉變經濟發展方式的重要著力點”。太陽能和風能作為一種清潔的可再生能源，在農業工程中的綜合運用及推廣是新能源技術發展的一種有效探索，是促進農業可持續發展的一種有效途徑。

四川省涼山、攀枝花、甘孜、阿壩等地區地廣人稀，“十年九旱”，農業灌溉及供水基礎設施條件差，農民生產用水及基本人畜飲水供應供應十分困難。為解決這一問題，太陽能提灌技術得到了廣泛應用，但在太陽能資源不夠豐富或分布不均勻地區采用太陽能提灌技術不能完全滿足供水需求，而這些地區風能條件較好。可以通過風光互補，利用風能、太陽能在時間和能量上的動態互補性，在白天光照強度充足但無風條件下采用太陽能光伏發電供能，在夜間或弱光且風能充足條件下采用風能發電供能，在光照強度及風能均充足條件下兩個系統同時發電供能，裝置將水從低處提到高處，再通過山坪塘、蓄水池、水窖等蓄水、保水。風光互補高效提水裝置對能源的利用率更高，運行成本更低，更經濟合理。

2 系統組成

風光互補高效提水裝置包括太陽能光伏發電系統、光伏系統避雷及接地設備、光伏逆變系統、光伏控制系統、風能控制系統、風能發電系統、風能系統避雷及接地設備、風能逆變系統、風能控制系統、動力線路、水泵、輸水管道等。

光伏控制系統和風能控制系統均為電性連接動力線路，且光伏控制系統和風能控制系統之間為并聯連接，兩個系統獨立運行相互不影響，且有效地于動力線路處匯集，動力線路由四芯防水橡套銅芯電纜構成，最大程度地避免了各種自然災害對電纜的影響，增加了裝置的使用壽命，風能逆變系統和光伏逆變系統內部安裝的逆變器規格相同，兩個規格相同的逆變器能保證傳輸的電能同步且統一。

本裝置在使用時，太陽能光伏組件將采集的太陽光能，轉化為直流電能，輸入光伏逆變系統，通過逆變系統的轉換作用，將該直流電能轉換為交流電能輸出，同時，風能發電系統通過上述相似方式將風能輸出；通過各自的控制系統實現運行模式的切換，控制系統輸出的交流電能通過動力線路進行電能輸送，通過高效水泵將水加壓后進入輸水管道，再通過輸水管道輸送至蓄水池；到了用水季節，可以直接從蓄水池取水，用于農作物的灌溉。

3 關鍵技術

本裝置將太陽能和風能兩種能源發電技術應用在農業灌溉中，通過太陽能和風能在多方面的特性互補研究出風光互補高效提水裝置，主要有以下幾點關鍵技術。

1）在無蓄電池的條件下，實現風光互補能源的動態跟蹤，達到自然能源的最大利用，保證系統的穩定運行。

2）研究風光互補高效提水裝置在風光互補狀態下，太陽能光伏發電、風能發電與總電源輸入特性匹配的關鍵技術。

3）研究在風光互補狀態下，控制系統與高效水泵的協同作業，通過電源切換、參數檢測、數字化控制、諧波技術，電磁兼容技術，實現系統的多種運行模式。

4）傳統水泵機組工作受輸入功率變化影響較大，當遇到能量供給下降時，水泵無法正常運行，通過對風光互補高效提水裝置的研究，提高系統效率，使系統安全高效運行。

5）通過對風光互補高效提水裝置的研究，實現能量跟蹤控制、智能故障保護等功能；風光互補高效提水裝置能采集開機指令、電壓傳感器反饋、液位、系統壓力等信號，通過與預設值的比較，進行PID計算，不斷調節頻率輸出，進行動態控制，自動調整高效水泵運行工況。

6）通過風光互補高效提水裝置在時間和能量上的動態互補，實現根據作業地現場自然條件，自動進行雙電源的適時切換或共同運行。

4 結語

隨著國家新能源政策的不斷實施，太陽能、風能利用技術的不斷發展，高效水泵的不斷研制，風光互補高效提水裝置的發展前景將十分廣闊。裝置的應用推廣能降低能耗，在保護環境的同時還大大改善了當地的人居環境和農業生態環境，在提高農作物產量的同時還可提升農產品的品質，對當地農戶產生很好的經濟效益。同時，可以有效解決四川省甘孜、阿壩、涼山等地區因電力短缺等原因導致的取水難題，提高當地抗御自然災害的能力，為農業灌溉用水、生態治理供水、當地村民的飲用水提供有力保障。