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1案例分析

1.1系統的工作條件概況有一成功的工程案例用于農業灌溉、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。根據以上土地規模、地形高差，設計光伏供水系統的基本情況如下。作為系統的供電部分，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塊光伏板年發電總量大于3840kW•h。作為系統供水部分，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，用現代節水灌溉方式，每次10～15mm，可灌溉4～6次，基本滿足該地區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太陽能光伏發電供水系統設計

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

2.2光伏發電供水系統原理與設計

2.2.1光伏發電的原理光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。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電裝置。光伏供水系統工藝框圖如圖1。

2.2.2光伏發電設備（1）光伏板。光伏板是發電系統的核心設備，根據我國現有的產品規格，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）控制器是光伏系統充放電的控制設備。系統電壓：24V；系統電流：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，兩組并聯使用，系統直流電壓：24V。（4）逆變器。主要功能是將直流電轉變為交流電。額定輸入電壓：DC－24V；輸出電壓：AC－220V；額定功率：4000W；空載電流：1．3A；工作環境：－10C°～＋50C°。

2.2.3供水設備（1）水泵選擇及參數。水泵是供水系統的核心設備，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。系統要求，該水泵為小功率、小流量、高揚程，根據這些特點，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。根據設計流量、壓力、防腐要求及使用條件，系統選擇了DN25鍍鋅鋼管，管長250m。管道水力參數為：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年當地市場較低出園價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。至于農業水資源費，現行國家規定，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系統設計的幾點經驗（1）對于光伏供水系統的設計，由于缺乏經驗，農場的需水量與現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，系統安全的優點。為了使系統更安全，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運行效果該系統建成后，經過一段時間運行，效果達到了設計要求。系統既滿足了農田灌溉，也滿足了日常生活需求。在農場里呈現出果樹經濟林、農作物、牧草、養豬場及沼氣池的各種經濟形態，形成了一套以水為紐帶，功能齊全而完整的循環經濟鏈。

3結語

太陽能光伏發電供水系統，在西北黃土高原偏遠地區的實施，對解決農業灌溉、生活用水是個有效手段。通過一個具體工程案例的實施，介紹了系統的設計原理、設備組成及主要參數，并進行了簡要的技術經濟分析。采用了節水灌溉的方式，有效節約了寶貴的水資源。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，農戶發展多種經營，增加了穩定收入，它既有可觀的經濟效益，也產生了良好地社會效益。因此，光伏供水系統在該地區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