光伏提水工程技术设计初探

程荣香 张瑞强

（中国水科院 牧区水科所，呼和浩特 010010）

随着建设社会主义新农村的需求，光伏提水业近年来得到了迅速发展，它对解决人畜供水和农牧业灌溉问题起到了较大的作用。但因在光伏提水工程建设过程中没有可执行的标准，工程建设的随意性大，使光伏提水系统利用率低、效益差，系统功能不能全部发挥。本文将根据多年光伏提水工程的建设和设计经验，依次介绍光伏提水工程的各个设计环节，对每个环节的设计内容、技术要求和指标的确定进行阐述，为今后光伏提水工程的建设提供一个科学的设计方法。

1 光伏提水工程的选址

光伏提水工程建设地点选择应具备相应的条件：有稳定、可靠的太阳能资源；50年一遇的最大风速不大于50m／s；有适宜的水源条件。

1.1 太阳能资源条件

对工程建设地点进行不少于一年的太阳能资源资料测量，并取得距离建设点最近的相应参证气象站的同期资料。满足下列条件的地区，认为适合建设光伏提水工程。

（1）条件一、年平均太阳总辐射量不小于1400kW·h／ （m2·a）。

（2）条件二、全年太阳能年平均日照小时数不小于2200h。

（3）太阳辐射量年变化和日变化、各月太阳辐射量日变化：用太阳辐射量年变化和日变化、各月太阳辐射量日变化与同期负荷的变化曲线对比，两者相一致或接近的部分越多越好。

1.2 水源条件

光伏提水工程建设前，应对建设地点进行水资源的勘察评价，对水源水质和水量提出相应要求。

（1）光伏提水工程的水源水一般为清水，如河水、湖水、池塘水、井水等。水的温度不高于40℃；固体物质含量 （按质量计）不大于0.01%，粒径不大于0.2mm。

（2）选用地下水源时，其允许开采量应大于取水量，保证水源的可持续性；选用地表水源时，其设计枯水流量的年保证率不宜低于90%。当单一水源水量不能满足要求时，可采用多水源或调蓄水等措施。

（3）水源的供水能力应大于水泵的流量。

2 光伏提水工程设计

2.1 光伏提水工程总体设计应考虑的因素

（1）光伏提水泵站周围不应有影响光伏发电的遮阳障碍物。

（2）供水蓄水池应具备重力供水条件，应有一定的容积，保证连续阴天泵站不提水的情况下仍能正常供水。

（3）在泵站取水处要预留放置其它取水器所需的空间。

（4）系统应有放水装置，以免冬季冻坏水管等设备。

（5）在光伏阵列、控制室、水源口、蓄水池处应设有安全防护设施和警示标志。

（6）输水管线不应有较大的起伏，穿越不良地质、地段时应采用相应的技术措施。输水管线接口处不应有明显的渗漏。

2.2 光伏提水工程技术要求

（1）光伏提水泵设施能在－20℃～＋60℃的条件下正常工作。

（2）在光伏组件安装的区域内，地基应有相应的承载力，避开沼泽、滩涂、流沙。

（3）蓄水池最低点的水头应能满足最不利用户用水终端的水头要求。

（4）容量大于2kW的光伏提水泵站的控制器应有欠压、过载等电子自动保护功能。

（5）光伏提水泵站的出水口处应有消能和防冲刷装置。

（6）要求冬季作业的光伏提水系统，输水管线应埋设在冻层以下，或采取相应的其他防冻措施，管道上安装阀门处应建阀门井。

3 光伏提水机组的选型

光伏提水机组类型应依据工程用途、太阳能资源条件、提水流量及扬程等来选择。

流量大于10m3／h的提水机组或水中含沙量大的宜优先选用离心泵提水机组；流量小于10m3／h时宜选用高扬程、小流量容积泵提水机组。

4 泵站相关参数的确定

4.1 系统扬程的确定

光伏提水泵站总扬程是指光伏提水系统在夏季为9～17h，冬季为10～15h抽取的水量与水源供给的水量处于平衡时，水源此时的动水位到出水口中心的高差与输水管道的阻力之和。按公式 （1）计算：

式中：H——水泵的总扬程，m；

H1——动水位到最不利用水终端的高差，m；

H2——蓄水池底部到最不利用水终端的高差，一般取2m～3m；

H3——蓄水池深度，m；

△H——总水头损失，m。

4.2 系统日提水量的确定

系统日提水量为系统在全日内各个时间段的提水量之和，按公式 （2）计算：

式中：Qr——日提水量，m3／d；

Qi——选定机型在确定的扬程下某时段太阳能资源对应的系统流量，m3／h；

tq—— 一天内系统提水起始时间，h；

tz—— 一天内系统提水终止时间，h。

5 光伏阵列的设计

5.1 光伏阵列容量的确定

光伏阵列容量可按公式 （3）计算：

式中：N——光伏阵列的容量，W；

Npf——提水系统峰值水功率，W；

k1——太阳能资源修正系数；

k2——光伏阵列跟踪太阳方式修正系数。k1、k2值分别按表1和表2选取。

表1 太阳能资源修正系数k1

表2 光伏阵列跟踪太阳方式修正系数k2

5.2 光伏阵列方位角、最佳倾角的确定

（1）方位角γ按公式（4）计算：

式中：αz——太阳高度角；

φ——当地纬度；

δ——太阳赤纬角。

（2）最佳倾角的确定。根据水平面太阳总辐射量结果，计算出不同角度（10°～60°间隔1°）倾斜面上各月太阳总辐射量。比较倾斜面不同倾角的月平均太阳总辐照量计算结果，得出全年最大太阳总辐照量时对应的倾角，即为光伏阵列最佳倾斜角。同时也适用固定安装光伏阵列最佳倾角的计算［1］。

5.3 光伏阵列行间距的计算

行间距指前排方阵前端到后排方阵前端的距离，按公式（5）计算：

式中：Ls——行间距，m；

γ——冬至日上午9时太阳方位角；

L——组件垂直高度，m。

6 系统其它设计

6.1 蓄水与输配水系统的设计

蓄水与输配水工程设计参照《风力提水工程技术规程》（SL343－2006）中第6.4节和第6.5节的规定执行［2］。

6.2 安全设计

在安全方面主要考虑系统的防雷。如果系统安装在空旷野外或超出附近建筑物高度时（系统超过1.5倍建筑物高点）需做防雷设计。系统防雷设计采取《建筑物防雷设计规范》（GB50057－1994）中第三类防雷建筑物的防雷等级。对于小型电站及低压输电线路只要求考虑防止雷电感应和雷电波侵入［3］。

（1）防雷电感应。太阳能电池方阵和控制室设备、金属物、电缆的金属屏蔽层要可靠接地，每个设备都要单独接地，不允许串联后再接到接地干线上，控制器光伏输入端每一路均应装设避雷模块。

（2）防雷电波侵入。对于低压220V／380V在每条回路的出线和零线上装设低压阀型避雷器。

（3）对于容量大于5kW的光伏提水系统应在系统5m内架设避雷针。

6.3 节能设计

光伏提水工程建设项目应确保使用国家现行节能规范、标准，尽量采用以下节能措施：

（1）系统应集中布置，就近接入配电室。

（2）选择合理供电电压和供电方式。

（3）选用技术先进、性能可靠、材料优良、结构合理、运行稳定、机械强度高、使用寿命长的节能型机电设备及材料。

7 结 语

一个优质的光伏提水工程，必须有科学合理的设计来保证。本文介绍的设计方法，为多年来从事光伏提水工程建设工作的经验总结。在今后具体工程设计中，要因地制宜地通过科学分析和计算，才能达到光伏提水工程预期的设计目标。

［1］刘树民，宏伟译 .太阳能光伏发电系统的设计与施工.［日］太阳光发电协会编 .北京：科学出版社.2006

［2］风力提水工程技术规程（SL343－2006）

［3］建筑物防雷设计规范（GB50057－1994）