太阳能光伏发电供水系统在黄土高原的应用

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摘要：指出了利用太阳能光伏发电为供水系统提供电力，不仅符合国家的能源政策，而且对于黄土高原的荒山绿化、小流域综合治理有着积极意义。通过一个已投入运行的小规模工程案例，介绍了系统的基本组成和主要设备参数，总结了系统设计经验，并分析了工程的技术经济指标。该案例系统简洁，设备易采购，工程体量小，易施工好管理，建造成本低，投资效益高，为现阶段在该地区推广提供了一定的参考。

关键词：黄土高原；光伏系统；供水系统；循环经济

1引言

我国西北的黄土高原，属于干旱贫瘠的土地，年降雨量仅400mm，农业生产基本靠天收成，个别地区人畜饮水都是问题。如何解决好这些地区水的问题，是当前一个重要课题。近些年新兴的太阳能光伏发电，是解决输水动力的一个有效手段。通过小规模光伏发电供水系统的生产性试用，逐步总结和积累经验，便于较大规模的推广。

早期开发太阳能光伏的是欧美国家和日本。自1969年世界上第一座太阳能电站在法国建成，太阳能发电的比例在欧美国家逐渐提高，光伏技术也在不断发展。其中，欧盟是世界上光伏发电量最大的地区，到2008年，该区域占全球光伏发电量的80%。

我国是太阳能资源丰富的国家之一，有76%的国土光照充沛，光能资源分布较为均匀，并有荒漠108万km2，主要分布在光照资源丰富的西北地区。太阳能作为清洁、安全可靠、永不枯竭的新能源，近些年在我国也有了较快的发展。

2黄土高原水资源开发与利用分析

我国黄土高原主要位于甘肃东北部、宁夏南部、陕西北部及山西的西部地区。这些地区经过几百万年的雨水的冲刷，把黄土高原切割成了纵横的沟壑、墚、塬、峁并存的特有地貌特征。这些地区属于暖温带，半干旱季风气候，年降雨量一般在400～600mm，年日照时间约为2400～2500h。该地区降雨主要集中在夏秋季节，冬季少雪，春季基本无雨，可谓春雨贵如油。这个季节，正是冬春农作物需水季节，但此时却很少降水，只有沟壑底部有些小溪流，要想灌溉，就需从沟底将水抽至塬上方可进行。在干旱年份，如遇上春夏连旱，不但农作物会欠收或绝收，就连农民吃水都成为一大问题。因此，解决这些地区水的问题，是一个长期而艰巨的任务。

一般情况下，在该地区水源与用水点距离较远，或者用水点高程高于水源水位80～100m，必须依靠水泵加压输送。现阶段这些区域因经济发展水平和人口、工矿企业比较分散等条件受限，很多区块没有布置市电，所以，需要用独立发电设备（柴油机或用光伏发电系统）带动水泵抽水。

光伏系统是近些年发展起来的绿色新能源，在西北黄土高原地区应用有着下列优势：符合国家节能减排的战略要求。节能减排是我们的国家战略，光伏系统是典型的清洁能源，在不增加废弃物排放量的前提下，有利于开发利用了该地区的水资源；这些地区年日照时间约为2400～2500h，利于光伏系统的应用；价格有不断下降的趋势，在5年前的光伏板价格是现在价格6倍。一块国产200W的光伏板现价550元，这也给它的应用提供了现实可能，而且今后如果需要扩大使用规模，单位成本也将更低；独立发电系统的优势，这些地区多是峁头、墚地，基本比较偏远，很多地点没通市电，拉专线成本很高，用光伏系统就有其成本优势；管理简便，系统简单，管理维护方便，体量小成本低，可大范围推广。同时光伏系统也有一定的缺点：获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关；与市电相比，发电成本偏高。

3案例分析

3.1系统的工作条件概况

有一成功的工程案例用于农业灌溉、生产及生活。它位于陕西省洛川县境内，是黄土高原中部的一个山峁、墚地农场，有平整土地50余亩，加山坡地共100余亩，抽水高差约80m。根据以上土地规模、地形高差，设计光伏供水系统的基本情况如下。

作为系统的供电部分，包括光伏板、控制器、蓄电池及逆变器等部件。它的核心部件是光伏板，8块光伏板年发电总量大于3840kW・h。

作为系统供水部分，水泵抽水流量：2m3/h，扬程：120m。这样每天平均8h抽水，每天可抽16m3，全年250d，抽水总量为4000m3，每亩40m3，相当于60mm的降雨量，用现代节水灌溉方式，每次10～15mm，可灌溉4～6次，基本满足该地区农作物冬春旱季时期的灌溉需求。夏秋季雨水相对较多，基本可满足农作物的生长需求。

3.2光伏系统的辅助功能

光伏电源除满足水泵提水外，还可满足喷灌系统供电，喷灌山坡草地。另有一个功能就是，给农场提供生活用电及用水，养猪场每月可用60m3水，饮用水从蓄水池抽至室内蓄水箱，经过滤器过滤后供生活饮用。该系统可满足一台电脑，一台电视、冰箱及照明需求，总负荷约1000W。

4太阳能光伏发电供水系统设计

4.1可选用电力系统比选

各种电力系统比较详表1。

表1电力系统财务比较表

项目1光伏发电1柴油发电1市电造价/元110600146001120000（增容费）维护费/元120015001200综合折旧率/%11011010年折旧费/元110601460010电费/元101384012304

注：①全年按8块光伏板，2400h的发电量3840kW・h计。②电价：柴油发电按1.0元/kW・h计，市电按0.6元/kW・h计

通过表1的综合分析，市电增容费太高，不可采用；光伏与柴油发电10年的综合费用比较，光伏为12600元，柴油发电为13440元。由此看来光伏发电比柴油发电有综合价格优势，同时，光伏发电有管理方便、绿色无污染的优点，因此，光伏是发电系统的首选。

4.2光伏发电供水系统原理与设计

4.2.1光伏发电的原理

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池，太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏供水系统工艺框图如图1。

图1光伏发电供水系统

4.2.2光伏发电设备

（1）光伏板。光伏板是发电系统的核心设备，根据我国现有的产品规格，选择了200W的光伏板。外框裙边尺寸：1580mm×808mm×45mm。输出功率：200W；输出电压：36.0V；峰值电流：5.55A，开路电压：43.5V；短路电流：5.85A。

（2）控制器是光伏系统充放电的控制设备。系统电压：24V；系统电流：80A；空载损耗：20mA；光伏板输入电压：55V；超压保护：33V；均衡充电电压：29.2V；工作温度：-25C°～+60C°。

（3）蓄电池。采用免维护铅酸蓄电池，12V-100A 电池4个，每组两个串联，两组并联使用，系统直流电压：24V。

（4）逆变器。主要功能是将直流电转变为交流电。额定输入电压：DC-24V；输出电压：AC-220V；额定功率：4000W；空载电流：1.3A；工作环境：-10C°～+50C°。

4.2.3供水设备

（1）水泵选择及参数。水泵是供水系统的核心设备，目前市场上可供选择的水泵为多级潜水泵、多级离心泵及螺杆泵。系统要求，该水泵为小功率、小流量、高扬程，根据这些特点，多级潜水泵及离心泵的功率、流量普遍偏大，扬程偏小。通过3种泵的比较，螺杆泵特点为杨程高，流量小，功率较小，符合要求。参数为：流量Q=2.0m2/h；扬程H=120m；功率P=750W；电流I=5.2A；电压：220V。

（2）提升管道。根据设计流量、压力、防腐要求及使用条件，系统选择了DN25镀锌钢管，管长250m。管道水力参数为：Q=2.0m2/h，i=0.175，v=1.16m/s。

4.3投资预算及投资效益

投资预算详表2。

表2投资预算表

编号1名称1价格/元1备注11光伏板1520018块21控制器16001一台31逆变器127001一台41蓄电池1220014个51螺杆泵17001一台61电缆线110001300m71光伏板支架1180018套81输水管124001250m91蓄水池11400150m3101零星工程120001取水头部111合计120000

由上表显示，该系统总投资为20000元，每年抽水4000m3，可满足农场100亩土地灌溉需求。其中该农场中有10亩苹果园，原来由于是旱地，亩产只有3500多斤，灌溉后会增收500kg，按2013年当地市场较低出园价1元/kg计，每亩增收2000元，10亩共计20000元，当年即可收回建造成本。至于农业水资源费，现行国家规定，限额内免费，限额外按标准0.002元/m3收取，4000m3为8元，则可忽略不计。这只是农场的部分净收益，随着农场各种经济实体的不断完善，经测算，由此所带来的整体效益至少增加30%以上。

4.4系统设计的几点经验

（1）对于光伏供水系统的设计，由于缺乏经验，农场的需水量与现有市场设备的选用匹配，既要满足需要，又要经济可靠，是一个很麻烦的问题。例如：光伏板选多大，多少块合理，由于无规范，都要经过计算和测算相结合的方式确定；又如：市场上高扬程小流量的水泵非常难找，经反复比选，最后选择了工程中不常用的小型螺杆泵。

（2）由于沟底距塬顶自然高差80m，水泵扬程为120m，在水泵突然停电的情况下，则会产生水锤，易使管道破裂。为了防止水锤的发生，在选择管道时，着重对管材进行比选。目前，可供选择的管材为PE管和镀锌钢管，经比选采用了镀锌钢管，它具有耐压等级高，使用寿命长，系统安全的优点。为了使系统更安全，在供水管的下端处，加装了安全阀。

（3）由于螺杆泵对泥沙的敏感度很强，水中含砂极易造成泵轴的磨损，缩短寿命。所以，取水头部的设计，对进水浊度要求很高，应达到10°以下。既要保证低浊度，又要保证长期不堵塞，这是系统的一个主要控制点，详见图2。

图2取水头部设计

（4）由于黄土高原位于西北，案例所在地冬季较为寒冷，一月份平均气温约为-67°C，极端气温为-254°C，最大冻土深度为750mm。所以，为了防冻，管道必须埋设于800mm以下，同时还要对取水头部作加厚覆土的防护处理。

4.5运行效果

该系统建成后，经过一段时间运行，效果达到了设计要求。系统既满足了农田灌溉，也满足了日常生活需求。在农场里呈现出果树经济林、农作物、牧草、养猪场及沼气池的各种经济形态，形成了一套以水为纽带，功能齐全而完整的循环经济链。

2014年11月绿色科技第11期5结语

太阳能光伏发电供水系统，在西北黄土高原偏远地区的实施，对解决农业灌溉、生活用水是个有效手段。通过一个具体工程案例的实施，介绍了系统的设计原理、设备组成及主要参数，并进行了简要的技术经济分析。采用了节水灌溉的方式，有效节约了宝贵的水资源。用种草植树改变植被的方法，对小流域综合治理而抑制水土流失，起到了积极作用。同时，农户发展多种经营，增加了稳定收入，它既有可观的经济效益，也产生了良好地社会效益。因此，光伏供水系统在该地区有着广泛而重要的推广价值。

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