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太陽能光伏提水技術(shù)在低緯高原地區(qū)的應(yīng)用

2015-04-19 06:20趙茜周自瑋嚴(yán)娟李婧媛馬再波
科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2015年33期
關(guān)鍵詞:工程設(shè)計(jì)

趙茜 周自瑋 嚴(yán)娟 李婧媛 馬再波

摘 要:云南屬低緯高原地區(qū),由于季風(fēng)氣候的影響,冬春季節(jié)性干旱頻發(fā),加之山區(qū)面積占國土面積的94%,人員居住分散,人在山上住,水在山下流,水利實(shí)施難于覆蓋,造成干旱季節(jié)人畜飲水及灌溉用水困難。該文從云南太陽能資源,太陽能光伏提水原理及設(shè)計(jì)參數(shù)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益等方面,對應(yīng)用太陽能光伏提水技術(shù)解決低緯高原干旱地區(qū)人畜飲水及農(nóng)田灌溉問題的可行性進(jìn)行了分析,說明光伏提水技術(shù)在云南干旱地區(qū)具有很好的應(yīng)用前景。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),建議水泵額定功率與陣列(組件)功率比控制在1.3~1.5之間;要求逆變控制器的控制能力(功率)介于水泵和電池功率之間,高位水池容量是日提水量的3倍以上,盡量采用雙泵聯(lián)動技術(shù),安裝方向?yàn)樽背掀?5°。已建成的75個示范點(diǎn),光伏陣列總功率1 050.05 kW,年可發(fā)電1 310 410 kW·h,以煤發(fā)電相比,可減少二氧化碳排放1 396.77 t,減少標(biāo)煤消耗448.16 t。

關(guān)鍵詞:太陽能資源 光伏提水系統(tǒng) 光伏水泵 工程設(shè)計(jì)

中圖分類號:P412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)11(c)-0099-03

太陽能光伏提水系統(tǒng)也稱為光伏水泵、太陽能水泵或太陽水泵,是利用太陽能電池發(fā)出的電力,通過最大功率點(diǎn)跟蹤以及變換、控制等裝置驅(qū)動高效水泵,將水從低位提至高位,供農(nóng)田灌溉或人畜飲用。光伏提水是涉及太陽能采集與變換、電力電子、電機(jī)、水泵等多門學(xué)科專業(yè)綜合配套的技術(shù),具有低碳環(huán)保、就地開發(fā)、個性化設(shè)計(jì)、全自動運(yùn)行、日出而作、日落而息、無需人看守、不受電網(wǎng)限制、運(yùn)行成本低、使用壽命長等特點(diǎn)。

1 在云南推廣應(yīng)用太陽能光伏提水技術(shù)的必要性

云南地處低緯高原,具有冬春季節(jié)性干旱,村寨位置高水源位置低兩大特點(diǎn)。雖然云南水資源總量居全國第3位,但水資源存在地域分布不均,垂直分布不均,時(shí)間分布不均;干流水資源豐富,但河谷深切,開發(fā)利用困難,水資源開發(fā)利用率僅為6.7%,遠(yuǎn)低于全國開發(fā)利用率20%的水平。另外,云南為典型的山區(qū)多民族省份,居住習(xí)慣差異較大,造成全省農(nóng)村村民居住十分分散,農(nóng)村供水工程建設(shè)難度大、成本高,很難建成較大規(guī)模的集中供水工程?!百Y源性缺水、工程性缺水、水質(zhì)性缺水”并存,造成冬春季節(jié)人畜引水困難常態(tài)化。尋求一種科技含量高、易于建設(shè)、投資少、可應(yīng)用范圍廣的防災(zāi)減災(zāi)模式,解決人畜飲水及農(nóng)田灌溉問題十分必要。光伏提水系統(tǒng)具有低碳環(huán)保、就地開發(fā)、全自動運(yùn)行、維護(hù)成本低、建設(shè)速度快的特點(diǎn),正好符合這一需求。規(guī)?;痉锻茝V太陽能光伏提水技術(shù)既可與“五小水利”工程形成互補(bǔ),又可解決水資源開發(fā)難度大、水源工程調(diào)控能力弱,工程性缺水嚴(yán)重地區(qū)人民群眾的飲水、用水困難。太陽能光伏提水技術(shù)在云南邊遠(yuǎn)、水利基礎(chǔ)設(shè)施不足或難以進(jìn)行水利工程建設(shè)、電網(wǎng)難于覆蓋山區(qū)極具推廣價(jià)值,應(yīng)用推廣前景廣闊。

2 云南具備規(guī)模化應(yīng)用推廣太陽能光伏提水技術(shù)的前提

2.1 云南太陽能資源豐富

云南各地133個氣象臺站的數(shù)據(jù)分析說明絕大多數(shù)氣象臺站(約90%以上)的平均年總輻射量在4 500~6 000 MJ/m2·a之間,其中尤以5 000~5 500 MJ/m2·a為最多(約45%)。這些地區(qū)主要包括滇中,滇南大部,滇東大部,滇西南,滇北大部分區(qū)域(即包括昆明,玉溪,個舊,文山,思茅,曲靖,臨滄,大理,麗江,潞西等地區(qū))。少數(shù)幾個臺站其值還超過6 000 MJ/m2·a(永仁,麗江,元江、瑞麗),最高值高達(dá)6 167 MJ/m2·a(麗江)。低于4 000 MJ/m2·a的臺站只有位于滇東北的鹽津、大關(guān)、威信、綏江、滇西和滇西北的德欽、中甸,以及滇南的很小區(qū)域[1]。經(jīng)研究計(jì)算,云南省太陽能資源總儲量為2.142 51×1 015 MJ/a,相當(dāng)于每年獲得標(biāo)準(zhǔn)煤731億t[2]極具開發(fā)利用前景。

2.2 云南太陽能資源可開發(fā)利用的區(qū)域廣

按區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn),云南省處于太陽能利用豐富區(qū)。云南全年平均日照時(shí)數(shù)為2 200 h,太陽能年輻射總量為3 615.7~6 667.1 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,占全省總數(shù)的74.6%;太陽輻照度大于5 000 MJ/m2·a的地域占全省面積的90%[3]。綜合考慮太陽總輻射、日照時(shí)數(shù)、日照百分率3個要素的基礎(chǔ)上,王國海等人將云南省太陽能資源開發(fā)區(qū)劃分為4類區(qū)域:最佳開發(fā)區(qū)、較佳開發(fā)區(qū)、可開發(fā)區(qū)、一般區(qū)。

(1)最佳開發(fā)區(qū):此區(qū)域內(nèi)年太陽總輻射在6 000 MJ/m2·a以上,年日照時(shí)數(shù)在2 300 hr以上,年日照百分率在61%~53%之間。

(2)較佳開發(fā)區(qū):此區(qū)域內(nèi)年太陽總輻射在5 500~6 000 MJ/m2·a之間,年日照時(shí)數(shù)在2 100~2 300 hr之間,年日照百分率不低于50%。

(3)可開發(fā)區(qū):此區(qū)域內(nèi)年太陽總輻射在5 000~5 500

MJ/m2·a之間,年日照時(shí)數(shù)在2 100 hr左右,年日照百分率在45%~50%間。

(4) 一般區(qū):在此區(qū)域內(nèi)年太陽總輻射在5000 MJ/m2.a以下,年日照時(shí)數(shù)在2100 hr以下,年日照百分率不到40%。

太陽輻照度大于5 000 MJ/m2·a的區(qū)域包含最佳開發(fā)區(qū)、較佳開發(fā)區(qū)、可開發(fā)區(qū)3類地區(qū)推廣應(yīng)用光伏提水技術(shù)。

3 太陽能電池

太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心器件,其發(fā)展水平直接決定了光伏發(fā)電的發(fā)展水平。太陽能電池種類十分繁多,且結(jié)構(gòu)日趨多樣,轉(zhuǎn)換效率也明顯提高。在已市場化的太陽能電池中,晶硅電池一直占據(jù)著太陽能電池市場壟斷地位。截至2010年,在全球光伏組件市場中,晶硅電池組件所占比例高達(dá)85%~90%,據(jù)EPIA預(yù)測:至少到2020年,晶硅光伏組件仍將占據(jù)光伏技術(shù)的主導(dǎo)地位,因此晶硅電池仍將是未來光伏市場的主流產(chǎn)品[4]。目前晶硅太陽能電池技術(shù)已成熟,市售太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)18%以上,而且近年來價(jià)格有所下降,為光伏提水技術(shù)的規(guī)模化推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 光伏提水系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)原理

光伏提水系統(tǒng)核心部分由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、光伏提水逆變器控制系統(tǒng)和提水系統(tǒng)3部分組成。太陽能組件將太陽的輻射能轉(zhuǎn)變成電能,電能通過控制逆變器由直流電轉(zhuǎn)化為交流電,并通過控制逆變器驅(qū)動光伏水泵提水,水經(jīng)過進(jìn)水管道到達(dá)蓄水池。為了減少勞動力成本,實(shí)現(xiàn)提水自動化,可附加水位監(jiān)測、水滿保護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等設(shè)備。部分水源水質(zhì)達(dá)不到飲用水標(biāo)準(zhǔn),需增加水質(zhì)凈化系統(tǒng)。

4.2 光伏提水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光伏提水系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)主要為光伏組件(含支架)、控制逆變器、光伏水泵3部分的功率大小及配比。

4.2.1 太陽能電池陣列

由多塊太陽能電池組件(陣列)串并聯(lián)而成,組件因系統(tǒng)配置不同,其功率、電流、電壓等技術(shù)參數(shù)差異很大。選用的電池組件必需達(dá)到國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求(GB/T 29195-2012)。由于光伏提水系統(tǒng)一般不配備儲能的電池,為充分發(fā)揮系統(tǒng)的效率,要求高位水池(蓄水池)應(yīng)足夠大,以便將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)樗畡菽埽詢λ鎯δ?。建議高位水池容量至少是日提水量的3倍。

4.2.2 太陽能電池方陣支架

為了防止支架的自然腐蝕,電池方陣支架設(shè)計(jì)采用熱鍍鋅型鋼材,具有抗風(fēng)能力。在云南,為充分發(fā)揮系統(tǒng)效率,我們建議方陣方向坐北朝南偏西15°,支架基礎(chǔ)采用水泥澆筑。

4.2.3 光伏水泵

水泵按結(jié)構(gòu)形式分為多種,離心泵價(jià)格低噪音低、外形美觀、體積小,重量輕、使用維護(hù)方便、密封性可靠;柱塞泵價(jià)格高效率也高,但噪音大體積也大。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)資金投入、地型地貌選用。無論選用任何類型的水泵,通過逆變器變頻技術(shù)調(diào)速控制后,可更好地保護(hù)和利用水泵,延長水泵使用時(shí)間。離心泵額定功率由提水揚(yáng)程及提水量決定,測算公式如下所示。

為充分發(fā)揮系統(tǒng)運(yùn)行效率,水泵額定功率大于10 kW時(shí)盡量采用雙或多泵聯(lián)動技術(shù),這樣在太陽能輻射量不足時(shí),可自動切換供單泵運(yùn)行,提高系統(tǒng)效率。

4.2.4 光伏逆變控制器

光伏逆變控制器的作用是實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行、控制和調(diào)節(jié),將太陽能電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換為交流電驅(qū)動水泵,并根據(jù)日照強(qiáng)度的變化實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)輸出頻率,實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。為減少勞動力成本,達(dá)到自動提水和遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的,逆變控制器中應(yīng)配置上下水位檢測及遠(yuǎn)程控制模塊。逆變控制器的控制能力(功率)應(yīng)介于水泵和組件功率之間。

4.2.5 組件功率和水泵功率比

為了能夠優(yōu)化配置光伏提水工程中的光伏功率和水泵功率,降低建設(shè)成本,屈盛等[6]人分析了控制逆變器的轉(zhuǎn)換效率、導(dǎo)線損失、光伏陣列的實(shí)際最大輸出功率等影響因素,推算出在云南省絕大部分地區(qū)光伏功率和水泵功率之比的優(yōu)化取值范圍應(yīng)在1.3~1.6之間。我們在云南開展了光伏提水規(guī)?;痉?,建成75個示范點(diǎn),實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)說明組件功率和水泵功率之比控制在1.3~1.5之間即可,以便降低投入成本。

4.2.6 光伏提水系統(tǒng)的特點(diǎn)

系統(tǒng)綠色環(huán)保,實(shí)現(xiàn)了零排放;無需配備蓄電池儲能,減少了投入成本;雖然太陽能光伏取水系統(tǒng)在陰雨天和夜間不能抽水,但因其自動運(yùn)行,只要基礎(chǔ)設(shè)施及系統(tǒng)設(shè)計(jì)配備合理,可將光照充足時(shí)的太陽能變?yōu)樗膭菽埽脙λ娲鷥δ?,確保用水安全;系統(tǒng)采用自動化控制包括每天的自動開啟和關(guān)閉,蓄水池滿水、水源缺水自動關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)了無人值守,減少了勞動力成本。同時(shí)采用了水泵的堵塞、斷相等保護(hù)措施,延長了水泵和逆變控制器的使用壽命;系統(tǒng)可根據(jù)地型地貌進(jìn)行個性化設(shè)計(jì),適用范圍廣,設(shè)計(jì)、建設(shè)簡單,建設(shè)速度快;與柴油機(jī)、市電提水相比,光伏水泵系統(tǒng)具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

5 太陽能光伏提水技術(shù)在云南的應(yīng)用現(xiàn)狀

2010年以來,云南連續(xù)多年冬春連旱,造成大范圍農(nóng)作物受災(zāi)及人畜引水困難,為充分發(fā)揮科技進(jìn)步在惠及民生、促進(jìn)社會發(fā)展中的支撐引領(lǐng)作用,由云南省科技廳組織,云南省農(nóng)村科技服務(wù)中心牽頭,聯(lián)合多家光伏企業(yè)開展了光伏提水技術(shù)研發(fā)及規(guī)?;痉锻茝V工作。為了提高系統(tǒng)的利用效率,系統(tǒng)中采用了最大功率點(diǎn)跟蹤、多泵聯(lián)動、光伏變頻器弱功率滿足供電、光伏水泵水位和電機(jī)載荷檢測并無線傳輸?shù)纫环N或多種專利技術(shù)。截止2014年12月底,云南投入科技經(jīng)費(fèi)1 431.7萬元(主要為設(shè)備經(jīng)費(fèi)),在除德宏州外的州(市)共建成光伏陣列5~60 kW、水泵功率3.5~44 kW,凈揚(yáng)程50~700 m示范工程75個,總陣列功率1 050.05 kW,每年按300 d,每天按5 h計(jì)算,年可提水186.5萬m3。解決了近15萬人、9萬頭大牲畜的冬春季飲水困難及部分農(nóng)田灌溉問題。2015年投入科技經(jīng)費(fèi)500萬元,計(jì)劃建設(shè)水泵功率5.4~7 140 kW光伏提水示范點(diǎn)26個,目前已建成8個。地方自籌資金建成光伏提水工程50個,目前云南共建成光伏提水示范工程135個。

6 太陽能光伏提水的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

運(yùn)行成本:光伏水泵系統(tǒng)建設(shè)好后基本上沒有任何運(yùn)行費(fèi)用,相比之下,傳統(tǒng)的柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流市電水泵系統(tǒng)則需要較大的運(yùn)行費(fèi)用,因此光伏水泵系統(tǒng)比它們具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。在不考慮輸電線路、變壓器成本的情況下,以水泵額定功率為7.5 kW的提水系統(tǒng)為例,如果分別采用光伏發(fā)電、柴油機(jī)和交流電來驅(qū)動水泵,則這3種水泵系統(tǒng)的建設(shè)成本大約分別為11萬元、0.7萬元和0.3萬元,假定1年運(yùn)行300 d、日均運(yùn)行5 h,交流電的電價(jià)按0.5元/(kW·h),柴油價(jià)按6元/L計(jì)算,25年的運(yùn)行費(fèi)用(不考慮更換柴油機(jī),其他維護(hù)成本相同)分別為:光伏水泵系統(tǒng)運(yùn)行成本為0元;柴油機(jī)運(yùn)行成本(每發(fā)1 kW·h的電按220 g柴油,功率按8 kW算)為如下結(jié)果。

交流電運(yùn)行成本:

因此,即使不考慮柴油機(jī)水泵系統(tǒng)和交流市電水泵系統(tǒng)的初期建設(shè)費(fèi)用,它們多年后的運(yùn)行費(fèi)用也會超過光伏水泵系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用。

直接效益:科技經(jīng)費(fèi)建成的75個示范工程,光伏陣列總功率1 050.05 kW,年可提水186.5萬m3,按3.45元/m3水價(jià)計(jì)算,年直接經(jīng)濟(jì)效益643萬余元。間接效益則更高,如昆明市尋甸縣河口鎮(zhèn)水冒天村委會太陽能光伏取水示范工程水源點(diǎn)有3 000畝烤煙地,但種煙季節(jié)無定根水澆灌,2013年經(jīng)項(xiàng)目實(shí)施,解決了保苗定根水問題,年可增加經(jīng)濟(jì)收入1 200萬元。

6.2 生態(tài)效益

光伏陣列發(fā)電量=傾斜面接受的太陽能輻射量(kW·h/m2/d)×有效面積(m2)×組件轉(zhuǎn)換系數(shù)×系統(tǒng)效率×天數(shù)

按組件效率=17%、系統(tǒng)效率平均=80%、日均輻射量=4.19 kW·h/m2/d(按年均輻射5 500 MJ/a計(jì)算),1 kW有效面積6 m2;按發(fā)電標(biāo)煤平均消耗342 g/kW·h計(jì)算,則每發(fā)1度電產(chǎn)生的二氧化碳為:342 g×0.85/12×44=1 065.9 g。

1 kW年光伏陣列發(fā)電量=4.19*6*17%*80%*365= 1 247.95 kW·h,75個示范工程光伏陣列總功率1 050.05kW,年發(fā)電量=1 050.05*1 247.95=1 310 410 kW·h,以煤發(fā)電相比,可減少二氧化碳排放=1 310 410*1 065.9/1 000 000=1 396.77 t,

減少標(biāo)煤消耗=1 310 410kW·h*342 g/kW·h/1 000 000=

448.16 t。

7 結(jié)語

(1)云南省地處低緯高原,冬春季節(jié)性干旱明顯,村寨位置高水源位置低,冬春季節(jié)人畜引水困難已成為常態(tài)。實(shí)踐說明充分發(fā)揮科技進(jìn)步在惠及民生、促進(jìn)社會發(fā)展中的支撐引領(lǐng)作用,合理利用云南豐富的太陽能資源,推廣應(yīng)用太陽能光伏提水技術(shù)解決邊遠(yuǎn)山區(qū)人民群眾的飲水、用水問題,是一種切實(shí)可行的方式。尤其適用于一般水利工程建設(shè)困難、電網(wǎng)難于覆蓋水源點(diǎn)的地區(qū)。

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí),建議水泵額定功率與陣列(組件)功率比控制在1.3~1.5之間,逆變控制器的控制能力(功率)應(yīng)介于水泵和電池功率之間,高位水池容量是日提水量的3倍以上,盡量采用多泵聯(lián)動技術(shù),安裝方向?yàn)樽背掀?5°。

(3)已建成的75個示范點(diǎn),光伏陣列總功率1 050.05kW,年可發(fā)電1 310 410kW·h,以煤發(fā)電相比,可減少二氧化碳排放1 396.77 t,減少標(biāo)煤消耗448.16 t。

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