羅光學(xué)

（云南省臨滄市鳳慶縣水務(wù)局，云南 鳳慶 675900）

0 引言

自黨的十六大以來，國家對于農(nóng)村水利工程建設(shè)就保持著高度重視，無論是人力還是財力方面都在加大投入。黨的十八大報告中也表示，一定要加強農(nóng)村水利工程的建設(shè)腳步，進一步為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展打好基礎(chǔ)，全方位增強農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力[1]。在新形勢的發(fā)展驅(qū)動下，為了更好地適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，農(nóng)村水利工程建設(shè)需要在傳統(tǒng)道路上打開新的突破口。結(jié)合實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村農(nóng)業(yè)生產(chǎn)配合光伏水利運作，在實現(xiàn)水資源充分利用的同時，不但能夠滿足農(nóng)村人畜飲水、農(nóng)業(yè)灌溉的基礎(chǔ)需求，還能夠促使農(nóng)作物增產(chǎn)和農(nóng)民增收，整體運算發(fā)現(xiàn)工程的運行成本也得到了更好的控制。

1 光伏泵站在水利工程建設(shè)中的必要性

水利工程建設(shè)是農(nóng)業(yè)的命脈，直接決定了農(nóng)業(yè)發(fā)展道路能否可持續(xù)，因此在最初的勘測設(shè)計工作當(dāng)中需結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H狀況展開分析，并總結(jié)民眾的多方訴求，不斷改良并優(yōu)化工程建設(shè)措施。光伏泵站是集光、機、電為一體的系統(tǒng)技術(shù)，具有諸多優(yōu)勢，無須人員看管、無須化石能源、無須綜合電網(wǎng)，獨立運行，安全可靠?；窘鉀Q了傳統(tǒng)泵站建設(shè)成本高、施工困難大、能源消耗大、環(huán)境污染大的問題，也解決了水利設(shè)施由于地理位置的偏僻造成的用電難，管理難問題。光伏泵站在光伏事業(yè)推廣的道路上邁出了重要的一步，太陽能資源沒有地域限制，分布廣泛且取之不盡，用之不竭，可大幅度降低工程運行成本，光伏水利作為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化未來發(fā)展趨勢，符合國家建設(shè)“資源節(jié)約型”與“環(huán)境友好型”社會的發(fā)展戰(zhàn)略。

2 光伏泵站案例介紹

云南省臨滄市鳳慶縣是光伏泵站農(nóng)村水利工程建設(shè)基地之一，轄區(qū)面積3335km2，常住人口38.54 萬人，境內(nèi)山區(qū)占97%，山高坡陡，水資源分布不平衡。過去的很多時間里一直在想辦法解決缺水地區(qū)的農(nóng)村用水問題，嘗試過打井及引水等多種方式都沒能實現(xiàn)用水保障。2010 年以后，該縣逐步探索光伏泵站的應(yīng)用，共建大小光伏泵站40 余座，徹底解決了用水難題。該基地常用光伏發(fā)電板由6 塊組成一個整板，每天能夠吸收的電是18V，比方說一個基地將118 個板集中到一起就是600V，總裝機為150kW，也就是說每小時所產(chǎn)生的電就是15kW·h，根據(jù)工程供水要求配置相應(yīng)發(fā)電板，完全能滿足泵站運行。通常在建設(shè)光伏泵站的過程中，對于地勢高且分布廣的工程會選用兩級提灌，具有實用性高、節(jié)約工程投資的優(yōu)勢。

現(xiàn)有的小灣水電站是瀾滄江中下游河段階梯級電站的龍頭水庫，同時也是云南省西部大開發(fā)開放的標志性工程，實現(xiàn)了“西電東送、云電外送”的目標。在小灣水電站建設(shè)完成后，鳳慶縣沿庫區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)也開始抓緊發(fā)展機遇，結(jié)合庫區(qū)豐富的水資源，積極爭取項目資金，實施光伏泵站提水工程，滿足當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活用水需求。通過光伏泵站提水，大量種植香蕉、沃柑、澳洲堅果等經(jīng)濟作物，打造庫區(qū)特色經(jīng)濟帶，助力當(dāng)?shù)厝罕娒撠?，最大化實現(xiàn)光伏泵站所帶來的經(jīng)濟效益。而且光伏泵站系統(tǒng)在建造后，參與滴灌、噴灌、滲灌等灌溉設(shè)施配套應(yīng)用，有效解決耕地末端灌溉問題，提高產(chǎn)量，節(jié)水節(jié)能，大幅降低傳統(tǒng)能源、電力的投入成本。光伏泵站建設(shè)完成后，通過太陽發(fā)電就能夠滿足泵站的工作用電需求，以一年為周期來看不僅減少了大量電費，還節(jié)約了大量的人工成本。在為當(dāng)?shù)鼐用窠鉀Q了用電難及管理成本高的難題后，還為后續(xù)的水利工程建設(shè)成功探索了高效、清潔、科學(xué)的建設(shè)經(jīng)驗。

3 光伏泵站所帶來的作用和改變

光伏泵站所帶動的水利工程建設(shè)系統(tǒng)是集光、機、電為一體的系統(tǒng)運作模式，主要是通過太陽電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換為日常生活中所使用的電能[2]。配置光伏泵站的水利工程能夠在水頭較低且無外源帶動的情況下機動靈活地用于農(nóng)田灌溉、提供潔凈人畜飲水、發(fā)展庭院經(jīng)濟、美化園區(qū)、構(gòu)造彩色噴泉等，通過縱向深入還可打造養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的節(jié)能、環(huán)保等提供基礎(chǔ)的支撐，根據(jù)太陽能的原理，實現(xiàn)“日出而作，日落而息”的目標，打造良好的可持續(xù)發(fā)展里程。

4 光伏泵站的運作原理

光伏水泵亦稱太陽能水泵，主要由光伏揚水逆變器和水泵組成。具體應(yīng)用時再根據(jù)不同揚程和日用水量的需求配以相應(yīng)功率的太陽能電池陣列，統(tǒng)稱為光伏揚水系統(tǒng)。簡單來說，泵站又稱抽水站，用于提高水位或增加水壓的水泵、動力機、進出水管道、電氣設(shè)備、輔助設(shè)備、前池、進水池、出水池、機房等的綜合體[2]。根據(jù)它的使用目的、動力類型、取水水源及能否移動等特點又可分為灌溉泵站、排水泵站、排灌結(jié)合泵站、多功能泵站、水錘泵站、井泵站、水輪泵站、抽水蓄能泵站、風(fēng)力泵站、恒壓泵站、泵車和泵船等[3]。光伏水泵的水泵不一定是潛水泵，也可以是地面泵，還需結(jié)合當(dāng)時的使用環(huán)境和當(dāng)?shù)氐臈l件。光伏泵站所選用的逆變器是通過高效的高頻隔離多路MPPT 跟蹤形式，從某種意義上來說能夠?qū)崿F(xiàn)單路光伏的MPPT 跟蹤，不但發(fā)電效率高，還能夠同時完成避免匯流箱由于熱斑而產(chǎn)生的過熱現(xiàn)象，相比之下更具安全性和實用性。

4.1 光伏陣列

光伏泵站的建設(shè)不只是包含太陽能的采集，同時還結(jié)合了逆變器的變換作用及電力電子、電機、水機、計算機控制等不同的學(xué)科技術(shù)，綜合應(yīng)用到系統(tǒng)操作措施當(dāng)中，尤其是在干旱的高海拔山區(qū)尤為適用。光伏陣列的形成主要是由于大量的太陽能電池，經(jīng)過規(guī)律的分布后串聯(lián)在一起而形成了大片的光伏陣列，其實就是通過太陽能轉(zhuǎn)換的方式形成直流形式的電能運作系統(tǒng)?，F(xiàn)如今，光伏泵站系統(tǒng)當(dāng)中較為常見的太陽能電池一般為多硅太陽能電池，在這之中還包含由單晶硅、多晶硅、以及非晶硅太陽能電池等，不同的電池其運作原理也各不相同[5]。

4.2 控制器

光伏陣列的電源輸出和太陽輻照度、環(huán)境溫度、天氣變化等氣候條件等各方因素都有著相應(yīng)的鏈接，光伏泵站的輸出量會隨著日照的變換而發(fā)生變換，其中變換情況最為明顯的當(dāng)屬直流電量。但是作為光伏陣列負載的光伏水泵、直流/交流電機、以及各類新型電機等都可以作為驅(qū)動電機存在，在這個時候，如果想要通過光伏系統(tǒng)的運作來帶動水利工程的推進，還需要結(jié)合實際狀況選擇合理的控制器進行運轉(zhuǎn)[6]。而且對于任何日照條件都需要實現(xiàn)光伏陣列輸出功率的最大保障，此環(huán)節(jié)當(dāng)中可通過適配器進行調(diào)節(jié)，在維護日常運轉(zhuǎn)的同時還能夠起到相應(yīng)的保護作用。光伏揚水逆變器對系統(tǒng)的運行實施控制和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)最大功率點跟蹤。當(dāng)日照充足時保證系統(tǒng)額定運行，當(dāng)日照不足時，設(shè)定最低運行頻率滿足，確保太陽能電池電力的充分應(yīng)用。而且光伏泵站的運轉(zhuǎn)系統(tǒng)無須人為操控，屬于全自動運行狀態(tài)，從某方面來說大幅度節(jié)約了人力資源成本。

4.3 變頻器

光伏泵站的工作原理大致可歸納為光伏輸出直流，然后通過逆變轉(zhuǎn)換為交流電，交流電進入變頻器，變頻器改變其頻率輸出到AC 水泵。主要是由于光伏輸出直流電到逆變器，直流電在遠距離傳送電能里面損耗小，二逆變器輸出交流到變頻器，然后直接把直流電變成交流電輸出給變頻器，而變頻器就是做到頻率可調(diào)的控制電機的轉(zhuǎn)速等，為日常操作及調(diào)控等提供了極大的便利。當(dāng)遇到逆變器的要求（逆控一體機），在不帶蓄電池的情況下也是這樣直接光伏陣列-逆變器-水泵的，不過這套系統(tǒng)之所以要分開是因為水泵逆變器供應(yīng)商的逆變器不帶電池，當(dāng)配上電池就可以隨時用水泵取水。這個時候就可以把一體式的逆變器直接連接到電池上（可以視為輸入端是穩(wěn)定的直流電），請逆變器廠家在軟件上略作調(diào)整，電池電壓低到某個程度時停止工作（保護電池），但需要在太陽能和電池之間增加充電控制器。

4.4 水泵

水泵是輸送液體或使液體增壓的機械。衡量水泵性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、揚程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為容積水泵、葉片泵等類型。容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量；葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有離心泵、軸流泵和混流泵等類型?？茖W(xué)合理配置水泵不容忽視，在功率不大的系統(tǒng)中，特別是需揚程高但流量較小的環(huán)境下宜選擇容積式正位移水泵，在其他情況下可采用離心式或軸流式水泵。常用的離心泵按照控制原理可分為交流水泵、有刷直流水泵、無刷直流電機式水泵、無刷直流磁力隔離式水泵、三相交流水泵等，根據(jù)工程建設(shè)環(huán)境、投資、揚程、流量等要素加以比選。

5 光伏泵站在運用中存在的問題

5.1 光伏組件質(zhì)量參差不齊

2001 年國家推出“光明工程計劃”后，一批現(xiàn)代光伏組件生產(chǎn)企業(yè)誕生，受科學(xué)技術(shù)條件等多方因素的限制，再加上當(dāng)時科研資金不充裕的情況下，導(dǎo)致光伏組件產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，兼容性不強，且存在以次充好現(xiàn)象。早期建設(shè)的光伏泵站屬探索階段，光伏產(chǎn)品的好壞從外觀往往難以分辨，且可選擇范圍較小，光伏泵站建設(shè)無經(jīng)驗可尋，設(shè)計粗糙，建造水平低于國家規(guī)范。自2014 年2 月8 日出臺《關(guān)于加強光伏產(chǎn)品檢測認證工作的實施意見》后，光伏組件產(chǎn)品質(zhì)量得到規(guī)范，光伏泵站建設(shè)技術(shù)水平進一步提升。

5.2 操作水平及自動化水平不高

對已建的農(nóng)村光伏泵站運行調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，大部分的泵站在日常運轉(zhuǎn)中并沒有高科技理論的支撐，也就是說在維持泵站運轉(zhuǎn)中并沒有自動化監(jiān)控等科技的配合，而且泵站的各項設(shè)備也不符合現(xiàn)代化管理規(guī)范，這就導(dǎo)致光伏泵站機組間的匹配效果較差，從而降低了泵站運行的有效率，其技術(shù)化層面也需要全面提升。在光伏泵站的日常運轉(zhuǎn)中缺乏相對完善的管理制度，而且當(dāng)?shù)卣畣挝粚τ诒谜镜某掷m(xù)資金投入也并未保持相應(yīng)的重視，導(dǎo)致本該被淘汰的電氣設(shè)備沒有及時進行更換。

5.3 科學(xué)管理水平較低

農(nóng)村水利工程的建設(shè)屬于國家長期投資計劃，然而在實際狀況中經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)中投資建設(shè)，而忽略科學(xué)管理的現(xiàn)象存在，尤其是對于日常運行程序固定，且效益發(fā)揮有限的泵站相較而言日常管理意識更為薄弱。在調(diào)查工作中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)部分的泵站設(shè)備開關(guān)由于長時間的腐蝕，沒有經(jīng)過科學(xué)的維護管理或更換，導(dǎo)致設(shè)備的開關(guān)經(jīng)常會出現(xiàn)失靈現(xiàn)象，進一步影響了泵站的整體運作靈敏度，且存在安全隱患。而且大部分的光伏泵站管理人員，并未經(jīng)過專業(yè)的系統(tǒng)性培訓(xùn)，整體專業(yè)素質(zhì)欠缺，在管理方面也并沒有相關(guān)的經(jīng)驗，無法有序維持泵站的日常管理運營。沒有科學(xué)的管理系統(tǒng)進行管理，導(dǎo)致工程運營效益低，無法有序維持日常的運轉(zhuǎn)，需政府資金不斷投入，更難實現(xiàn)“以水養(yǎng)水”，泵站功效達不到設(shè)計值。

6 光伏泵站建設(shè)維護的相關(guān)對策

現(xiàn)有的大部分光伏泵站從建設(shè)到現(xiàn)在經(jīng)過了長時間的運行，由于早期光伏泵站存在一定的設(shè)計缺陷，再加上長時間的風(fēng)吹雨淋及空氣腐蝕，部分的泵站設(shè)備經(jīng)常會出現(xiàn)失靈現(xiàn)象，影響泵站的整體運行，導(dǎo)致在設(shè)備工作運轉(zhuǎn)中的存在安全隱患，且發(fā)揮不出應(yīng)有的效益。在后續(xù)的光伏泵站建設(shè)維護中，應(yīng)不斷改進技術(shù)，加強維護管理，實現(xiàn)工程效益目標。

6.1 加強工程設(shè)計和質(zhì)量管理

光伏泵站的工程設(shè)計應(yīng)因地制宜，優(yōu)化工程設(shè)計方案，以工程功能的需求出發(fā)，以技術(shù)先進性、工程造價嚴謹性、科學(xué)的進行設(shè)計方案優(yōu)化，通過對先進設(shè)備、先進施工技術(shù)的設(shè)計，提高工程施工效率，達到降低施工成本、降低投資的目的。在施工管理過程中，配備配齊水利、機電、光伏專業(yè)類技術(shù)管理人員。管理人員不但要熟悉工程整體的施工流程及設(shè)計圖紙，還要掌握好設(shè)計技術(shù)要求和關(guān)鍵注意事項，規(guī)范執(zhí)行工程建設(shè)步驟。

在光伏泵站施工中往往是多工種、全方位交叉作業(yè)，施工隊伍往往為了方便自己進行施工，有很多時候他們根本不管規(guī)范、標準。為確保質(zhì)量達標，工程管理人員嚴格按《水利工程質(zhì)量管理規(guī)定》加強管控，同時管理好“細部處理”，即對細小部位、各分項工程接合部，不同材料、不同工藝的交接處進行處理。細部施工階段的施工質(zhì)量，對實現(xiàn)項目總質(zhì)量目標是至關(guān)重要的，這些部位一般設(shè)計無規(guī)定、或規(guī)范要求不太明確，需靠現(xiàn)場施工管理者、操作者的經(jīng)驗和技術(shù)水平進行恰當(dāng)?shù)奶幹?。這一階段管理的重點應(yīng)放在合理安排交叉作業(yè)，抓好工藝處理和光伏組件、水泵成品保護上，要合理安排工序，解決好各分項工程施工的先后順序，不影響施工質(zhì)量；同時合理安排時間和空間，保證各分項工程必要的技術(shù)間歇。

6.2 規(guī)范日常維護管理

光伏泵站建成后需健全科學(xué)合理的泵站運行管理體系，結(jié)合實際制定管理規(guī)章制度，通過科學(xué)、高效的管理手段來確保泵站的安全運行。在日常運作過程中，要針對泵站的運行流程將任務(wù)劃分，簽訂目標責(zé)任書，層層落實責(zé)任，開展責(zé)任目標考核制，增強大家在管理工作中的警覺性；經(jīng)常對泵站工作人員開展培訓(xùn)，提升管理人員的泵站管理業(yè)務(wù)素質(zhì)；對早期建設(shè)的光伏泵站，可增加管護經(jīng)費投入，引進自動化監(jiān)控、傳感組件等系統(tǒng)設(shè)備，利用現(xiàn)代科技成果提高管理效率，節(jié)約人工成本。光伏泵站的后續(xù)維護當(dāng)中，不但要做好常規(guī)泵站維護保養(yǎng)工作，還需要安排專人定期開展光伏發(fā)電系統(tǒng)的檢測工作，并做好記錄歸檔。對于可能出現(xiàn)的問題做好預(yù)防措施，確保光伏設(shè)備運行率，實現(xiàn)工程效益目標最大化。

6.3 及時處理運行過程中出現(xiàn)的問題

光伏泵站運行過程中，發(fā)現(xiàn)問題要及時解決，以最大程度降低水泵停運對用水戶所帶來的經(jīng)濟損失。如：出現(xiàn)異常響聲，管理人員應(yīng)及時展開調(diào)查分析，結(jié)合各種因素，找到問題出現(xiàn)的根本原因，避免問題的持續(xù)擴大；發(fā)現(xiàn)泵站電氣設(shè)備等機械部件伴隨有損壞現(xiàn)象的時候，一定要針對可能造成故障的原因展開詳細分析，并及時的將實際狀況上報至維修部門等待處理。當(dāng)維修部門在接收到維修任務(wù)后，及時安排光伏組件、水機等專業(yè)人員前往解決相應(yīng)問題，在維修過程中明確好相關(guān)責(zé)任人，開展責(zé)任化管理制度，進一步確保維修安全。同時，為了最大程度降低設(shè)備損壞對工程運行所帶來的影響，維修部門需要盡可能的加快修整進度，通過加大資金投入，騁請高級專業(yè)人員參與等措施，全方位縮短維修工程計劃所需要的工期，全力保障泵站的正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

7 結(jié)語

光伏泵站對于農(nóng)村水利工程建設(shè)的具有較大的發(fā)展空間，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平和質(zhì)量也在不斷提升，國家對于水利工程建設(shè)的重視度也在不斷提升。而泵站作為水利工程建設(shè)過程中必不可少的重要組成部分，泵站日常的正常工作運轉(zhuǎn)對于水利工程的建設(shè)都有著直接聯(lián)系。然而光伏泵站在水利工程建設(shè)中應(yīng)用時間不長，難免會遇到一些問題，以往工作中實踐經(jīng)驗不豐富，仍處于摸索進步階段，因此為了進一步實現(xiàn)光伏泵站對水利工程建設(shè)所發(fā)揮的價值，還需要在實踐中不斷總結(jié)工作經(jīng)驗并歸納，不斷升級和改良。