戶用光伏供水系統設計探討

劉紅旺，張姣姣，楊志剛

（天津水科機電有限公司，天津 301900）

0 引言

我國幅員遼闊，存在大量的偏遠山區、無電少電地區，當地分散居住居民“因水致貧”、“因水受困”問題嚴重。針對我國偏遠貧困地區分散居住家庭飲用水及其他生活用水的現狀及需求，戶用直流光伏直飲水裝置的研制對解決上述地區飲水安全和農業灌溉問題有深遠意義。該系統采用電機、水泵一體結構，體積小、重量輕、低壓直流供電、節能安全高效、維護簡單。可解決偏遠地區、無電少電地區、貧困地區分散居住的單戶家庭的飲水安全和農業灌溉問題。

1 原理簡介

圖1 光伏水泵系統工作原理簡圖

通過圖1可知，光伏供水系統是一種以太陽能為能源進行提水的系統，主要原理是利用太陽能電池板吸收太陽日照輻射能量，將其轉化為電能，為系統提供動力能源，然后通過電機驅動水泵提水。

2 系統概述

戶用直流光伏直飲水裝置主要包含太陽能組件、光伏電控制器、光伏水泵、電池組、供水水箱、水凈化設備、支架、輸配線纜等配套系統。

太陽日照輻射通過太陽能電池板矩陣轉化為直流電，由光伏控制器控制實現對電池組充電并同時為負載設備供電；電池組的電能經過直流配電單元和電源轉換模塊后為用電設備供電。

太陽能光伏發電系統作為目前最潔凈的能源，其建設、運行過程具有以下主要特點：

可靠：在惡劣的環境和氣候條件下，光伏發電系統很少產生故障，因此光伏發電經常被用于要求供電可靠性很高的場合，而且并未因高可靠性而增加系統建設費用。

耐用：目前，絕大多數太陽能組件的生產技術都足以保證10年以上其性能不下降。

潔凈：最潔凈的能源，系統運行周期內不存在污染排放。

維護費用低：在遠離城鎮的邊遠地區，為了維護或修理常規發電設備要將材料和人員運送到很遠的地方，其費用很高，光伏系統運行穩定，可實現無人值守，無需運行維護費用，只需進行周期性的檢查和很少的維護工作量，因此維護費用比常規發電設備要少得多。

無需燃料費用：由于光伏系統不需要燃料，從而免去了購買、儲存、運輸和管理燃料的費用。

減少噪音污染：光伏系統運動部件很少，基本沒有噪音。

光伏組件積木化：便于用戶根據自己的需要選擇和調整發電系統的容量大小，安裝時靈活方便。

安全：光伏系統不需要易燃的燃料，只要設計和安裝適當，系統具有很高的安全性。

3 應用計算

根據GB/T 50331-2002《城市居民用水量標準》的規定，用水量最低地區為75～125 L/人·d，以戶均4人計算，日家庭用水量125×4=500 L。考慮日常灌溉及打掃衛生用水等余量，取戶用供水水箱容積為1 m3；保證及時供水并取一定余量，取水泵流量Q=2 m3/ h。

3.1 水泵揚程

以家庭住房居二層樓為例，管道直線長度取400 m,蓄水池（或水井）深度4 m，水泵揚程計算如下：

（1）管道公稱直徑：d=DN25

通過計算得出：v=1.133 m/s

（3）壓水揚程：

根據GB 50013-2018《室外給水設計標準》的規定，取辦公樓高度H1=12 m

（4）吸水揚程（蓄水池深度）取H2=5 m

（5）水頭損耗計算：

1）線性長度：L=400 m

2）管道(選用鋼管)沿程阻力系數：

一般情況下，沿程摩阻系數λ與雷諾數Re和管壁相對粗糙度ε/ d有關。

Re=ρvd/μ

式中：v為流體的流速；ρ為流體的密度；μ為水在20 ℃的黏性系數；d為管徑。

計算得出：Re=2.8×104

鋼管絕對粗糙度ε取0.1 mm

相對粗糙度:Δ=ε/d=0.1/25=0.004

圖2 莫迪圖

通過圖2可得出：λ=0.033

通過 柯爾勃洛克Colebrook公式：

計算得出：λ=0.031 86

查圖2及Colebrook公式計算得出數值相近，因此取λ=0.032。

3）局部阻力系數

表1 局部阻力系數表

管路損耗預估：90°彎頭10個，截止閥2個，止回閥2個，過濾器1個。

局部阻力系數為：

∑ζ=10ζ彎+2ζ截+2ζ止+1ζ濾

通過表1及計算得出：∑ζ=53.2

4）根據沿程阻力系數與局部阻力系數，通過計算，可得出管道中水頭損耗：

式中：l為管長；d為管徑；l/d稱為幾何因子；v為管內平均速度；v2/2 g為速度水頭；λ為沿程摩阻系數。

（6）水泵總揚程

H=H1+H2+H3=12+5+37.02=54.02 m

通過圖3，考慮水箱有一定高度和取水余量，因此取水泵揚程H=60 m。

圖3 供水示意圖

3.2 水泵電機功率

式中，η為水泵效率，η取0.75。

計算得出：W=435.6 W

計算得出：N=0.544 5 kW

3.3 光伏板和電池的選用

根據水箱容積及水泵流量可知，每日啟泵時長約為0.5 h。

水泵功率為544.5 W，考慮光照及陰雨天氣影響，電池需保證水泵可運行1周以上，因此電池選用：4塊12 V、40 Ah太陽能專用膠體蓄電池。

電池所需電量：12×40×4=1 920 W·h

正常光照6 h情況下，為電池充電光伏板功率（取光伏轉化效率為0.8）：1 920/6/0.8=400 W

綜上所述，選擇兩塊36 V、250 W的太陽能電池板。

4 總結

本文主要以采用太陽能電池發電蓄，電池儲能驅動直流水泵，為偏遠地區農村家庭提供清潔生活用水，解決貧困地區分散居住的單戶家庭的飲水安全和農業灌溉問題。依據實際計算提出戶用光伏供水系統的解決方案，對水泵揚程、管道阻力系數、光伏板及電池的選用提供了依據。