光伏水泵系统在西藏的设计与安装

刘 威，罗红英，余 强，白 军

(1.西藏大学 农牧学院，西藏 林芝 860000；2.九江海天设备制造有限公司，江西 九江 332100)

光伏水泵系统在西藏的设计与安装

刘 威1，罗红英1，余 强2，白 军1

(1.西藏大学 农牧学院，西藏 林芝 860000；2.九江海天设备制造有限公司，江西 九江 332100)

在光伏提水系统已广泛应用提前下，结合西藏丰富太阳能、水能资源，以工布江达县同果寺2 160 W光伏提水系统为例，阐述了水泵、太阳能组件、SPC控制器、电气与水位传感器等的选型设计与安装方法，为光伏提水技术在西藏推广应用提供了理论参考。

光伏提水系统；西藏；直流水泵；设计与安装；2.1 kW

0 引 言

光伏水泵系统是直接利用太阳能电池光生伏特效应发电之后,通过一系列电力电子、电机、水泵等控制及执行环节实现在江河湖泊或深井中提水的系统,该系统是光、机、电、控制技术等多学科交叉、结合的体现[1]。光伏提水系统的一次性投入较大，但它具有环保无污染、无须管理、长久经济效益高，以及成本逐年递减、效益逐渐提高等优点，已被广泛应用。

1 概述

西藏水力资源理论蕴藏量居全国首位，其中地表水年径流量4 394亿m3，地下水年径流量977亿m3，冰川储量约3 000亿m3。西藏的太阳年平均辐射达3 300～4 800 MJ/m2，全区年均总辐射量5 850～8 400 MJ/m2[2]，日照6小时以上的年平均天数在275～300 d[3]。总之，西藏具有较好的太阳能资源与水利资源，这为推广使用光伏提水技术提供了良好的基础。

文献[4]对日喀则灌溉示范区的光伏水泵的运行进行了研究，表明西藏推广光伏提水技术十分可行；并以西藏狮泉河年日照数3 554.7 h，按年日照时数的60%为额定工作时数，对光伏提水费用进行了计算，表明藏区光伏提水的费用为0.22元/m3，费用相当低廉。我区藏牧民大多居住在高海拔地区、分布零散，供水供电困难，如能引用光伏提水技术，势必能很好解决农牧民的生活用水、用电等难题。

2 工程概况

光伏提水系统安放在西藏林芝地区工布江达县娘浦乡同果寺。同果寺位于娘蒲乡同吉村，地理位置在经度93°04′，纬度30°16′处，距离工布江达县67公里，乡政府11 km，海拔4 030 m。寺庙占地面积415.8 m2，建筑面积262.76 m2，全寺僧尼共有4人，其中1人在编，僧尼生活困难。由工布江达县太阳总辐射图[5]可知，工布江达县城年太阳总辐射为4 539 MJ/m2，年内变化呈单峰形，5月份最大，为546.1 MJ/m2；12月份最小,为212.6 MJ/m2。春季最大，为1 422.2 MJ/m2；冬季最小，为728.3 MJ/m2。同果寺位于工布江达县太阳能资源较丰富区，为光伏水泵系统提供了良好的太阳能资源。

同果寺光伏水泵系统工程平面效果图，如图1所示。山底河流与山顶寺庙之间的垂直高度为84 m，取水处与山顶蓄水池的水平距离45 m，山上蓄水池长×宽×高=1.5 m×1.3 m×1.2 m(库容2.34 m3)。其发电量主要供给寺庙4～5个僧人的生活用水，以及佛堂的照明等。据实测统计，该寺庙的日均用电10～12 kW·h，日均用水量1～1.1 m3，且冬季河道水流较小。因此，以平均每天6 h为有效发电时间，初步估算可取2 kW光伏电站和100 m扬程的潜水泵，光伏电站一部分电能给潜水泵使用。

图1 工程平面效果图

3 光伏提水系统

光伏水泵扬水系统主要由：光伏阵列、太阳能水泵控制器、水位传感器、水泵及相应的连接管路和线缆组成，其结构组成如图2所示。其工作原理为：太阳能光伏阵列吸收太阳能发电供水泵取水工作，由控制器进行电压、电流等电路参数的调节与控制，水泵提取的水由水管运输到蓄水池供生活用水；此外，电站还直接通过电缆与寺庙电闸相连供给寺庙生活用电。

图2 光伏水泵系统示意图

水泵的选型设计可以依据实际工程概况来进行估算选取。由寺庙的用水情况，可取平均流量为1 m3的小流量水泵，初定水泵的综合效率为0.9，那么可计算出水泵的出力，即P=9.81QHη=9.81×1×84×0.9=741.64W。根据该数值对照水泵功率表，可以选择出力P=750W的水泵。确定水泵的功率后，可以根据实际日用水量及蓄水情况，选择Q=1.8m3小流量的直流水泵。综上，选择了DY-SPC系列光伏水泵扬水系统。

水泵安装(如图3所示)，具体安装步骤如下：

图3 装吊钢丝绳安装图4阵列式太阳能支架

(1)准备扭成两股、长为3～4m的钢丝绳，穿过水泵上的吊装孔并用钢丝绳夹头固定拴住水泵，用长约4～5m扭成两股的钢丝绳拴住另一吊装孔。

(2)将防水芯电缆线头与水泵的引出线分别穿过防水接线盒的防水接头并对接好，再将引出线上的U、V、W三相标识在对接好的防水电缆上重新标识。

(3)准备长约120～150m、抗压强度为10MPa的PVC水管，利用热熔机将管路与水泵出水口连接好。

(4)将探针式水位传感器或浮球式水位传感器连接线延长至合适的长度，水下接头的处理可参照水泵连接线的处理方法。

(5)将水位传感器连接电缆与水泵电机连接电缆每隔一定距离用束线带捆扎在管路上。

(6)将水泵和管路竖起，通过钢丝绳吊拉缓慢放入河边水井里，当水泵下放到合适的高度后将钢丝绳固定到水井上部横梁钢筋上。其中，水井采用浅层渗流技术引水，井深4m。

(7)最后，将地面的供水管路架设好后，与水泵出水管路连接好，完成水泵安装，如图4所示。

图4 阵列式太阳能支架

4 太阳能组件

随着光伏产业的迅速发展，单块电池板的发电转化效率在不断增大，且在市场上的应用也越来越多。由于水泵加上寺庙照明功率在2kW左右，所以选用光伏阵列为单板功率270W，8块并联，总功率为2 160W，具体参数见表1。

表1 太阳能电池板推荐配置表

太阳能电池板安装采用阵列式太阳能支架，如图5所示。根据当地实际经纬度，通过查表和实际地理情况结合计算出准确的水平安装方向和仰角，然后按照这些参数进行安装，参数(主要参数是太阳高度角α与太阳方位角γs)计算可参照公式(1)-(2)。简易安装时，先调整太阳能板受光面水平方向正对中午时分太阳的方向，再调整仰角使(中午时的)太阳光线与太阳能电池板受光面垂直。

sinα=sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cosω

(1)

(2)

5 SPC控制器

5.1 SPC控制器参数

SPC控制器是对光伏电站充/放电、输入/输出控制的核心部件，其安装尺寸见表2，电气参数见表3。

表2 DY-SPC系列控制器安装尺寸

5.2 DY-SPC系列控制器安装

(1)控制器安装环境要求如下

a.环境温度：周围环境温度对控制器寿命影响很大，不允许控制器的运行环境温度超过允许温度范围(-10～50 ℃)；

b.控制器需要垂直安装，周围要有足够的空间散热；

c.请安装在不易振动的地方，振动应不大于0.6G；

d.避免安装于阳光直射、潮湿、有水珠的地方；

e.避免安装于空气有腐蚀性、易燃性、易爆性气体的场所；

f.避免安装在有油污、多灰尘、多金属粉尘的场所。

(2)控制器安装

将控制器安装在立柱式的太阳能支架上，如图5所示。

图5 控制器的安装

6 电气安装指导

6.1 电缆选型指导

系统各电气连接件的电缆线因导流影响各不相同，具体线粗的选择见表4。

表4 电缆线选型参考表

6.2 接线示意图

DY-SPC系列光伏水泵控制器带充电功能机型接线情况，如图6所示。

图6 带充电功能机型接线示意图

7 水位传感器安装指导

控制器可以接通道水位传感器，即水源(河流)水位传感器和水满水位传感器。水源水位传感器用于检测水源是否被抽干，防止水泵无水空转而损坏。水满水位传感器，用于检测水泵抽灌的高处蓄水池或水塔是否注满水，防止水溢出浪费。

(1)水源水位传感器安装：采用探针式水位传感器接线方式，如图7所示。注意：防干打保护水位要高于水泵出水口，防干打保护水位到恢复启动水位之间的水容量应大于水泵5min内提升的水容量。

(2)水满水位传感器安装：采用浮球式水位传感器接线方式，如图8所示。

图7 水源处采用探针式水位传感器接线方式

图8 采用浮球式水满水位传感器接线方式

8 水下接线指导

水泵及水位传感器附带的线缆通常较短不能满足实际的使用需求，因此电缆线接头浸泡在水中，接线需要做防水处理，避免发生漏电事故。连接方法：将电缆线头与水泵的引出线分别穿过防水接线盒的防水接头并去皮对接好，再将引出线上的U、V、W三相标识在对接好的防水电缆上重新标识。对接线头分别用电工胶带和防水胶带缠好做绝缘处理，再将线头整理入防水接线盒，并将防水盒内部空间注满防水硅胶，如图9所示连接和处理。

图9 电机引线与电缆对接示意图

9 结束语

文中以实际项目中主要参数为实际输入量，介绍了西藏工布江达县某寺庙的光伏提水系统设计与安装，详述了水泵、光伏电站、电气部分、传感器部分等主要部件的选型、安装与连接方法，通过文中分析可为光伏提水技术在西藏的设计、安装以及推广使用提供理论依据与实践基础。西藏地区应当充分利用优势资源，大力推广示范光伏提水系统，着重该技术对灌溉区、农牧区、高山居住等特殊地形的推广使用，以低成本、高效率的方式有效解决群众生活用水、用电等问题。

[1] 苏建徽. 光伏水泵系统及其控制的研究[D].安徽:合肥工业大学,2003.

[2] 刘 威,罗红英,余 强,等. 西藏新能源开发利用现状分析与对策[J]. 水电与新能源,2015(5):76-78.

[3] 杜恩社. 西藏太阳能利用现状及对策[J]. 西藏科技,2001(9):54-58.

[4] 罗红英,崔远来,陈 坚,等. 光伏提水技术在西藏的推广前景[J]. 中国农学通报,2011(11):276-280.

[5] 杜 军，杨志刚，刘建栋著.西藏自治区太阳能资源区划[M].北京:气象出版社,2011,12.

Design and Installation of Photovoltaic Water Pumping System in Tibet

LIU Wei1，LUO Hong-ying1，YU Qiang2，BAI Jun1

(1.Agriculture and Animal Husbandry College of Tibet University, Linzhi 860000, Tibet, China；2.Jiujiang Haitian Equipment Manufacturing Co. Ltd., Jiujiang 332100, Jiangxi Province, China)

With the photovoltaic water system has been widely application in advance, combined with the rich solar energy and hydro energy resources in Tibet, used GongBuJiangDa county with Tongguo temple 2 160 W photovoltaic provided water system as an example, expounded the selection of pumps, solar modules, SPC control, electrical and water level sensor design and installation method. This paper promote the application provides theoretical reference for the photovoltaic provided water technology in Tibet.

Photovoltaic water pumping system; Tibet new energy; DC pump; Design and installation; 2.1 kW

2015-06-25

2015-07-15

国家农业部西藏新能源开发利用生态村示范建设项目(2130126)；西藏大学农牧学院研究生创新计划项目(YJS2015-04)；西藏自治区大学生创新性实验训练计划项目(201510694012)；西藏自治区高校重点实验室建设项目(高原水利发电实验室)

刘 威(1990-)，男，湖北潜江人，硕士生，主要从事高原水利机械及新能源工程研究。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.08.012

TK513

B

1009-3230(2015)08-0045-05