一種光電互補(bǔ)供電技術(shù)在提水工程中的應(yīng)用

蔣紹松 楊 林 于洪鑫

（中國電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051）

云南省水資源豐沛，但是水土資源的空間分布極不平衡，山地和高原半山區(qū)占全省土地面積的94%，地形復(fù)雜，開發(fā)利用難，常規(guī)提水技術(shù)的運(yùn)行成本較高，經(jīng)常出現(xiàn)提水泵站建得起，卻用不起的現(xiàn)象[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全省全年平均日照時(shí)數(shù)為2 200 h，太陽能總輻射量為3 615.7 MJ/m2·a～ 6 667.1 MJ/m2·a，平均日照時(shí)數(shù)超過2 000 h的縣（區(qū)、市）就達(dá)94個(gè)，占全省總數(shù)的74.6%，大于 5 000 MJ/m2·a的地域占全省面積的90%[2]，因此近年來，云南興起了一批采用太陽能光伏進(jìn)行提水的農(nóng)村安全飲水鞏固提升工程和農(nóng)村抗旱應(yīng)急供水工程，來解決旱季人畜飲水及灌溉用水困難的問題。太陽能光伏提水系統(tǒng)又稱太陽能光電提水系統(tǒng)，其基本原理是利用半導(dǎo)體太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵從水源取水[3]，一般由太陽能組件組成的光伏陣列、控制器、逆變器和水泵機(jī)組等組成。由于太陽能提水運(yùn)行成本低、清潔環(huán)保并且不受點(diǎn)網(wǎng)距離及電源的限制，所以其提水效果較好，但是單純的太陽能提水系統(tǒng)由于受限于光照時(shí)長(zhǎng)和光照強(qiáng)度的制約，陰雨天和夜間不能連續(xù)抽水，供水保障率不高，其使用范圍受到了限制。因此，該文研究了一種基于太陽能及電網(wǎng)雙向供電的光電互補(bǔ)供電技術(shù)，在一定程度上解決了常規(guī)泵站供電的局限性，并成功運(yùn)用于云南省麗江市山區(qū)某易地扶貧搬遷移民安置點(diǎn)提水工程。

1 工程概況

該工程位于云南省麗江市古城區(qū)，由于原村民小組地處高寒貧困山區(qū)，居住分散，交通不便，發(fā)展落后，經(jīng)過相關(guān)部門認(rèn)真考察論證，決定將該居民小組整體搬遷至易地扶貧搬遷集中安置點(diǎn)。該提水工程為該易地扶貧搬遷安置工程的附屬配套工程，主要任務(wù)是解決安置點(diǎn)250人和500頭大牲畜的生產(chǎn)生活用水，同時(shí)兼顧周邊部分種植基地的灌溉用水。

工程水源為安置點(diǎn)附近的水庫，項(xiàng)目新建了1座浮筒式取水泵站（含相關(guān)供電系統(tǒng)），泵站所設(shè)計(jì)的流量為35 m3/h，揚(yáng)程135 m；新建DN125加壓管線2.2 km，DN125自流管線2.0 km；新建一座100 m3高位水池，1座200 m3的灌溉調(diào)節(jié)水池。

2 工程總體工藝布置

結(jié)合項(xiàng)目區(qū)總體規(guī)劃布局、地形特點(diǎn)及地質(zhì)情況，該工程采用常規(guī)的提水工藝布置，如圖1所示。

圖1 工程總體工藝布置圖

3 光電互補(bǔ)供電方案論證

3.1 建設(shè)條件

項(xiàng)目擬建取水的泵站附近地形開闊，根據(jù)相關(guān)資料，項(xiàng)目區(qū)年平均總輻射量大于6 000 MJ/m2·a，平均年日照時(shí)數(shù)超過2 200 h，每年平均有 260 d 以上日照時(shí)數(shù)超過 6 h，大氣層密度低，陽光透過性高，根據(jù)麗江氣象站資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫為12.6 ℃，極端最高氣溫32.3 ℃，最冷為-11.6 ℃[4-5]，屬于太陽能開發(fā)的較佳區(qū)域，具有建設(shè)光伏提水泵站的條件。同時(shí)，距離該項(xiàng)目取水泵站站址約200 m處建設(shè)了市政10 kV供電線路，泵站也可以通過市政供電。

3.2 供電方案比選

市政電網(wǎng)供電屬于傳統(tǒng)供電方式，由于其可靠性高、投資相對(duì)較小以及運(yùn)行管理方便等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于提水工程一般耗能較高，特別是部分地區(qū)泵站后期運(yùn)行費(fèi)用需要村鎮(zhèn)自籌解決，因此會(huì)出現(xiàn)“建得起，用不起”的現(xiàn)象。同時(shí)，云南部分地區(qū)水源距離供水對(duì)象較遠(yuǎn)，市政電網(wǎng)無法惠及，而單獨(dú)敷設(shè)供電線路投資較大，因此具有一定的局限性。

光伏太陽能供電雖然前期投入較大，但是后期運(yùn)行成本低、清潔環(huán)保、余電補(bǔ)貼優(yōu)勢(shì)明顯，并且目前很多村鎮(zhèn)集中供水工程采用前期建設(shè)投資由政府解決，后期運(yùn)行費(fèi)用由當(dāng)?shù)刈曰I解決的模式，打消了地方對(duì)前期投資成本的顧慮，因此近年來在云南山區(qū)地區(qū)興起了一股光伏提水的熱潮，但是由于人飲工程對(duì)供電可靠性要求較高，而光伏發(fā)電存在供電間斷性的弊端，因此其應(yīng)用同樣存在一定的局限性。

光電互補(bǔ)的泵站供電技術(shù)的基本原理為：在建設(shè)獨(dú)立的光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)的同時(shí)，引入市政電網(wǎng)供電進(jìn)行雙向供電，光伏發(fā)電的接入方式為“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的模式，在光照高峰期，發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電力主要（優(yōu)先）由用戶自己使用（水泵及其他照明等負(fù)載），多余電量并入電網(wǎng)，用戶自己直接用掉的光伏電量，以節(jié)省電費(fèi)的方式直接享受電網(wǎng)的銷售電價(jià)，余電電量單獨(dú)計(jì)量，并以規(guī)定的上網(wǎng)電價(jià)進(jìn)行結(jié)算，無論是自用部分還是上網(wǎng)部分均享受政府補(bǔ)貼；在光照低谷期，引入市電補(bǔ)充的方式進(jìn)行供電，確保供電的可靠性。該技術(shù)在一定程度上彌補(bǔ)了太陽能供電及市政供電單獨(dú)供電的缺點(diǎn)，因此經(jīng)綜合比選，該工程泵站供電采用光電互補(bǔ)技術(shù)供電更合適。

4 光電互補(bǔ)供電方案布置與設(shè)計(jì)

該工程泵站運(yùn)行功率為25 kW，根據(jù)相關(guān)研究，光伏組件在云南大部分地區(qū)有約14%的溫度損耗，在實(shí)際應(yīng)用中，光伏組件系統(tǒng)損耗約8%，功率衰減損耗約20%，其他影響因素約為5%[5]，光伏陣列的標(biāo)稱輸出功率和水泵的額定功率之比值應(yīng)該在1.3～1.6[6]。由此綜合確定該工程取水泵站光伏陣列容量為40 kW，工程光伏發(fā)電選用FS型高效太陽能薄膜電池組件，單片功率為117.5 W，共342片，共38組，具體參數(shù)見表1。

表1 高效定制FS薄膜太陽能組件參數(shù)（單片）

由外部市政10 kV線路提供時(shí)，采用0.4 kV低壓供電，設(shè)置1臺(tái)S11型10 kV變壓器，設(shè)計(jì)容量50 kVA。

該工程將光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)、外電系統(tǒng)、控制、計(jì)量及配電室統(tǒng)一布置在浮筒取水泵站北側(cè)，總占地面積約580 m2，具體布置形式如圖2所示。

圖2 泵站供配電系統(tǒng)平面布置示意圖

該工程光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)主要由光伏整列、市電變壓器、光伏電源進(jìn)線柜、市電進(jìn)線柜和接地系統(tǒng)等組成，具體系統(tǒng)圖如圖3所示。該系統(tǒng)通過光伏陣列和市電雙向互補(bǔ)供電，不僅有效地保證了工程供電的可靠性，同時(shí)有效達(dá)到了“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的目的。

圖3 光電互補(bǔ)供電系統(tǒng)圖

由于該工程包括光伏發(fā)電系統(tǒng)和市政供電系統(tǒng)，為了精確計(jì)量光伏發(fā)電自用量、市政用電量及上網(wǎng)電量，結(jié)合南方電網(wǎng)的相關(guān)要求，工程計(jì)量系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置了光伏發(fā)電補(bǔ)貼計(jì)量電表和上下網(wǎng)并網(wǎng)計(jì)量電表，其接線圖如圖4所示。

圖4 計(jì)量電表主接線圖

5 效益分析

根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目建成運(yùn)行后，光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)日平均運(yùn)行時(shí)間為4.8 h，發(fā)電效率約80%，年合計(jì)發(fā)電量為56 064 kW·h。項(xiàng)目實(shí)際年平均提水量為6.0萬m3，其中光伏提水小時(shí)數(shù)為1 415 h，提水4.95萬m3；實(shí)際平均每年市電提水300 h，提水1.05萬m3。按照當(dāng)?shù)厍鍧嵞茉串a(chǎn)業(yè)的優(yōu)扶政策，光伏上網(wǎng)電價(jià)為0.39元/kW·h（含補(bǔ)貼部分），自用補(bǔ)貼為0.06 元/kW·h，市電價(jià)格為0.4 元/kW·h，則該工程泵站運(yùn)行除市電部分費(fèi)用以外，每年還能收入8 952元。如果全部采用市政供電，則須花費(fèi)15 092元，對(duì)于村鎮(zhèn)供水工程來說，效益非常可觀。

6 結(jié)語

云南是一個(gè)太陽能資源豐富的地區(qū)，該工程提出的基于光電互補(bǔ)供電技術(shù)在泵站提水工程中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)，市電互補(bǔ)”的效果，不僅能夠有效地保證泵站供電的安全性，同時(shí)能極大地減少工程后期運(yùn)行成本，并且在當(dāng)下大力推廣綠色環(huán)保能源的今天，具有明顯的生態(tài)效益和環(huán)境效益，特別是對(duì)于云南部分山區(qū)地區(qū)，有較強(qiáng)的推廣意義。