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1案例分析

1.1系統(tǒng)的工作條件概況有一成功的工程案例用于農業(yè)灌溉、生產及生活。它位于陜西省洛川縣境內，是黃土高原中部的一個山峁、墚地農場，有平整土地50余畝，加山坡地共100余畝，抽水高差約80m。根據(jù)以上土地規(guī)模、地形高差，設計光伏供水系統(tǒng)的基本情況如下。作為系統(tǒng)的供電部分，包括光伏板、控制器、蓄電池及逆變器等部件。它的核心部件是光伏板，8塊光伏板年發(fā)電總量大于3840kW•h。作為系統(tǒng)供水部分，水泵抽水流量：2m3／h，揚程：120m。這樣每天平均8h抽水，每天可抽16m3，全年250d，抽水總量為4000m3，每畝40m3，相當于60mm的降雨量，用現(xiàn)代節(jié)水灌溉方式，每次10～15mm，可灌溉4～6次，基本滿足該地區(qū)農作物冬春旱季時期的灌溉需求。夏秋季雨水相對較多，基本可滿足農作物的生長需求。

1.2光伏系統(tǒng)的輔助功能光伏電源除滿足水泵提水外，還可滿足噴灌系統(tǒng)供電，噴灌山坡草地。另有一個功能就是，給農場提供生活用電及用水，養(yǎng)豬場每月可用60m3水，飲用水從蓄水池抽至室內蓄水箱，經過濾器過濾后供生活飲用。該系統(tǒng)可滿足一臺電腦，一臺電視、冰箱及照明需求，總負荷約1000W。

2太陽能光伏發(fā)電供水系統(tǒng)設計

2.1可選用電力系統(tǒng)比選各種電力系統(tǒng)比較詳表1。通過表1的綜合分析，市電增容費太高，不可采用；光伏與柴油發(fā)電10年的綜合費用比較，光伏為12600元，柴油發(fā)電為13440元。由此看來光伏發(fā)電比柴油發(fā)電有綜合價格優(yōu)勢，同時，光伏發(fā)電有管理方便、綠色無污染的優(yōu)點，因此，光伏是發(fā)電系統(tǒng)的首選。

2.2光伏發(fā)電供水系統(tǒng)原理與設計

2.2.1光伏發(fā)電的原理光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池，太陽能電池經過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏供水系統(tǒng)工藝框圖如圖1。

2.2.2光伏發(fā)電設備（1）光伏板。光伏板是發(fā)電系統(tǒng)的核心設備，根據(jù)我國現(xiàn)有的產品規(guī)格，選擇了200W的光伏板。外框邊尺寸：1580mm×808mm×45mm。輸出功率：200W；輸出電壓：36．0V；峰值電流：5．55A，開路電壓：43．5V；短路電流：5．85A。（2）控制器是光伏系統(tǒng)充放電的控制設備。系統(tǒng)電壓：24V；系統(tǒng)電流：80A；空載損耗：20mA；光伏板輸入電壓：55V；超壓保護：33V；均衡充電電壓：29．2V；工作溫度：－25C°～＋60C°。（3）蓄電池。采用免維護鉛酸蓄電池，12V－100A電池4個，每組兩個串聯(lián)，兩組并聯(lián)使用，系統(tǒng)直流電壓：24V。（4）逆變器。主要功能是將直流電轉變?yōu)榻涣麟姟ｎ~定輸入電壓：DC－24V；輸出電壓：AC－220V；額定功率：4000W；空載電流：1．3A；工作環(huán)境：－10C°～＋50C°。

2.2.3供水設備（1）水泵選擇及參數(shù)。水泵是供水系統(tǒng)的核心設備，目前市場上可供選擇的水泵為多級潛水泵、多級離心泵及螺桿泵。系統(tǒng)要求，該水泵為小功率、小流量、高揚程，根據(jù)這些特點，多級潛水泵及離心泵的功率、流量普遍偏大，揚程偏小。通過3種泵的比較，螺桿泵特點為楊程高，流量小，功率較小，符合要求。參數(shù)為：流量Q＝2．0m2／h；揚程H＝120m；功率P＝750W；電流I＝5．2A；電壓：220V。（2）提升管道。根據(jù)設計流量、壓力、防腐要求及使用條件，系統(tǒng)選擇了DN25鍍鋅鋼管，管長250m。管道水力參數(shù)為：Q＝2．0m2／h，i＝0．175，v＝1．16m／s。

2.3投資預算及投資效益投資預算詳表2。由上表顯示，該系統(tǒng)總投資為20000元，每年抽水4000m3，可滿足農場100畝土地灌溉需求。其中該農場中有10畝蘋果園，原來由于是旱地，畝產只有3500多斤，灌溉后會增收500kg，按2013年當?shù)厥袌鲚^低出園價1元／kg計，每畝增收2000元，10畝共計20000元，當年即可收回建造成本。至于農業(yè)水資源費，現(xiàn)行國家規(guī)定，限額內免費，限額外按標準0．002元／m3收取，4000m3為8元，則可忽略不計。這只是農場的部分凈收益，隨著農場各種經濟實體的不斷完善，經測算，由此所帶來的整體效益至少增加30％以上。

2.4系統(tǒng)設計的幾點經驗（1）對于光伏供水系統(tǒng)的設計，由于缺乏經驗，農場的需水量與現(xiàn)有市場設備的選用匹配，既要滿足需要，又要經濟可靠，是一個很麻煩的問題。例如：光伏板選多大，多少塊合理，由于無規(guī)范，都要經過計算和測算相結合的方式確定；又如：市場上高揚程小流量的水泵非常難找，經反復比選，最后選擇了工程中不常用的小型螺桿泵。（2）由于溝底距塬頂自然高差80m，水泵揚程為120m，在水泵突然停電的情況下，則會產生水錘，易使管道破裂。為了防止水錘的發(fā)生，在選擇管道時，著重對管材進行比選。目前，可供選擇的管材為PE管和鍍鋅鋼管，經比選采用了鍍鋅鋼管，它具有耐壓等級高，使用壽命長，系統(tǒng)安全的優(yōu)點。為了使系統(tǒng)更安全，在供水管的下端處，加裝了安全閥。（3）由于螺桿泵對泥沙的敏感度很強，水中含砂極易造成泵軸的磨損，縮短壽命。所以，取水頭部的設計，對進水濁度要求很高，應達到10°以下。既要保證低濁度，又要保證長期不堵塞，這是系統(tǒng)的一個主要控制點，詳見圖2。（4）由于黃土高原位于西北，案例所在地冬季較為寒冷，一月份平均氣溫約為－6．7°C，極端氣溫為25．4°C，最大凍土深度為750mm。所以，為了防凍，管道必須埋設于800mm以下，同時還要對取水頭部作加厚覆土的防護處理。

2.5運行效果該系統(tǒng)建成后，經過一段時間運行，效果達到了設計要求。系統(tǒng)既滿足了農田灌溉，也滿足了日常生活需求。在農場里呈現(xiàn)出果樹經濟林、農作物、牧草、養(yǎng)豬場及沼氣池的各種經濟形態(tài)，形成了一套以水為紐帶，功能齊全而完整的循環(huán)經濟鏈。

3結語

太陽能光伏發(fā)電供水系統(tǒng)，在西北黃土高原偏遠地區(qū)的實施，對解決農業(yè)灌溉、生活用水是個有效手段。通過一個具體工程案例的實施，介紹了系統(tǒng)的設計原理、設備組成及主要參數(shù)，并進行了簡要的技術經濟分析。采用了節(jié)水灌溉的方式，有效節(jié)約了寶貴的水資源。用種草植樹改變植被的方法，對小流域綜合治理而抑制水土流失，起到了積極作用。同時，農戶發(fā)展多種經營，增加了穩(wěn)定收入，它既有可觀的經濟效益，也產生了良好地社會效益。因此，光伏供水系統(tǒng)在該地區(qū)有著廣泛而重要的推廣價值。

作者：任育才周毅單位：中國市政工程中南設計研究總院有限公司武漢大學