一种光伏扬水系统的配置方法研究

2016-09-23昆明五威科工贸有限公司刘宁杨克磊高晓兰

太阳能 2016年4期

昆明五威科工贸有限公司 ■ 刘宁杨克磊高晓兰

一种光伏扬水系统的配置方法研究

昆明五威科工贸有限公司 ■ 刘宁*杨克磊高晓兰

提出一种光伏扬水系统的配置方法，构建了一个完整、有效的系统设计流程，分析各项系统参数计算方法，根据参数计算结果即可完成光伏扬水系统的组部件配置。文中对每一设计步骤提出理论数学模型，分析建模原理，并探讨数学模型中判别式判别因子的取值和关键系数的取值范围。研究结果与工程实践对比表明：采用本文提及的方法，能较为准确地计算出光伏扬水系统各重要参数值，避免提水过量、不足或失败的问题出现。该方法可作为一种切实可行的工程经验，指导光伏扬水工程的实施。

光伏扬水系统；配置流程；计算方法

0　引言

光伏扬水系统是利用太阳辐射能量转化为电力并驱动水泵进行抽水的系统。该系统集太阳能光电转化、电子控制、水泵及给排水等专业学科与技术于一体，相较于传统的市电扬水系统和燃油供电扬水系统，具有不受建设场地约束、无人值守、一次性投资、无污染、无排放等诸多优势，当前已作为一项技术成熟的可再生能源利用系统，规模化地运用到农村居民生活和农业灌溉提水领域。

传统的光伏扬水系统建设通常采用工程经验估算的方法确定系统配置，即根据建设地用水需求、扬水高差选择合适的水泵，再用水泵功率乘以一定的安全系数得到光伏阵列总功率。这种估算方法可简便地得出光伏扬水系统的各项参数，但往往存在较大误差，造成系统配置过高，造价高昂；或系统配置不足，冬季因日照资源低而提水量不足。

本文根据多年的光伏扬水系统工程实践经验，探讨一种光伏扬水系统详细的理论配置方法。采用判别实施地年均太阳辐射量，以特定月的日均辐射值确定提水流量，列举计算确定铺管管径集合，判别确定最终铺管管径，公式法计算有效扬程、水泵功率和光伏组件功率等步骤，构建出系统参数设计流程，根据参数计算结果完成光伏扬水系统的组部件配置。最后，以贵州省贞丰县某光伏扬水工程为例，验证本配置方法的可行性及经济性。

1　构建系统参数设计流程

本文所构建的系统参数设计流程如图1所示，其基本原理为：

1）首先判别实施地点的太阳能资源等级。要进行太阳能资源的开发利用，实施地的太阳能资源至少应为丰富等级。如果达不到丰富等级，则不宜开展光伏扬水系统的配置设计和建设工作。在满足太阳能资源等级的条件下，确定系统配置所必需的3个设计输入参数：日均提水量T、低处取水点与高处蓄水点的垂直高差H和铺管距离L。考虑到冬季可利用的太阳能资源低，因此在本配置方法中提出，将上一年排名第9位的月总辐射观测值Rm折算为日均辐射值，并结合日均提水量T来确定流量Q。

2）在流量Q确定的条件下，进入确定铺管管路管径的流程，分两步进行。第一步，列举出标准管径DNi（i=0，1，…，n），判别流量Q与管径DNi之间的比值是否属于设计区间［S2，S3］（S2、S3为管径经济设计系数），如有符合，则将对应的管径归纳起来；如均不符合，则适当增加Q的取值，直到求出满足条件的管径。第二步，确定最终管径DN。上一步符合条件的管径如果只有1个，则最终管径取该唯一值；如果不少于2个，则最终管径取其中直径最大值。

图1　光伏扬水系统参数设计流程

3）采用公式法计算并确定有效扬程H1。有效扬程H1由水位垂直高差H和管损H2确定，管损H2由管损系数K1、铺管距离L、流量Q和管径DN确定。同样，采用公式法计算并确定水泵功率Pe和光伏组件功率P，其中，水泵功率Pe由水泵功率系数K2、液体密度ρ、流量Q和有效扬程H1确定，光伏组件功率P由光伏系统效率K3和水泵功率Pe确定。

本文所提及的管径经济设计系数S2、S3，管损系数K1和光伏组件功率系数K3的取值在后面做专项讨论。

根据上述流程所确定的管径DNi、有效扬程H1、水泵功率Pe和光伏组件功率P等参数，即可配置出光伏扬水系统的组部件。

2　系统建模与分析

2.1太阳能资源等级判别

太阳能资源多寡以太阳总辐射曝辐量度量，它直接反映了太阳能资源的可开发程度。采用太阳总辐射年曝辐量作为分级指标，将太阳能资源划分为4个等级：极丰富（A）、很丰富（B）、丰富（C）及一般（D）［1］。如表1所示，该判别式为：

表1　总量等级

2.2流量Q的数值模型与分析

光伏扬水系统的实施，首先要根据用水规模确定系统流量Q，流量取值大小直接关系到系统建造成本及最终效果。Q取值过大，则系统成本大幅提高；Q取值过小，则提水量不能满足需求。由于全年太阳能资源差异较大，需要综合考量Q取值大小，考虑到冬季日照资源相对匮乏，而光伏扬水系统需全年满足用户用水需求，这里采取折中方法，即获取实施地上一年度的太阳辐射观测值，将其中排名第9位的月总辐射观测值Rm折算为日均辐射值，并结合日均提水量T来确定流量Q。该步骤计算关系式为：

式中，T为日均提水量，m3；d为当月天数；E为太阳辐照度，取值为1 kW/m2；Rm为月总辐射观测值，MJ/m2。

2.3管径DN的数值模型与分析

光伏扬水系统采用的给排水管路涵盖市面上的标准管径尺寸，因系统为无人值守，考虑到使用寿命因素，本文以镀锌无缝钢管作为系统所采用的管路讨论。表2为系统常用到的标准管径尺寸。

表2　镀锌钢管常用尺寸［2］（单位：mm）

如表2所示，将DNi（i=1，2，…，16）代入式（3）：

式中，Q表示流量，m3/h；DNi为表3所示常用镀锌钢管公称尺寸，m；S2与S3为管径经济设计系数，该系数取值在后续讨论。

经计算后，如｛DNi｝不为空，取｛DNi｝作为最终管径DN；如｛DNi｝为空集，则考虑适当牺牲系统经济性，保证提水量满足使用需求，适当增加Q的取值，求出适合的DN。

2.4有效扬程H1的数值模型与分析

有效扬程H1是水泵选型的关键参数，其数值的准确性直接影响后续水泵的功率选型和设计，并最终影响系统的经济性。该值由实际测量的水位垂直高差H和管损H2确定。

有效扬程H1的数值模型如式（4）、（5）所示：

式中，H为水位垂直高差，m；H2为管损，m；1.1为安全系数；L为实际测量铺管距离，m；DN为管径公称尺寸，m。

2.5水泵功率Pe的数值模型与分析

光伏扬水系统目前常用的水泵有潜水泵、离心泵和柱塞泵，水泵选型需要综合考虑工作环境、使用特点、效率、功率等因素。水泵功率Pe可由数值模型式（6）得出［3］：

式中，ρ为液体密度，kg/m3；g为重力加速度。

2.6光伏组件功率P的数值模型与分析

光伏扬水系统目前主要采用单、多晶硅光伏组件构建光伏阵列来实现光电转化。光伏组件功率P可由数值模型式（7）得出：

3　关键系数取值分析

3.1S2和S3取值分析

管径选择与管道设计流速密切相关，设计流速越小，沿程管损越小，系统功率也随之减小，但所需管道管径增大，管道建设成本提高。依据室外排水设计规范，管道经济流速设计为1.5～3 m/s［4］。管道平均流速v可由式（8）得出［4］：

故S2取值1.18，S3取值2.35。

3.2K1取值分析

管损系数K1模型可由式（9）确定：

式中，λ为沿程阻力系数，其取值参考表3。

3.3K3取值分析

光伏扬水系统中的光伏阵列连同逆变器、控制器等构建出一个独立的发电系统，其光伏阵列最终功率大小取决于系统的整体效率。系统的总效率由光伏阵列效率、逆变器效率和水泵电机效率等组成。

1）光伏组件匹配损耗系数指光伏组件在组合成方阵的过程中，由于组件失配而引起的损耗。系统中选用的光伏组件要求失配率小、一致性好，同时在组件配置时要求进行组件电压、电流失配控制，电压失配控制值为±2％，电流失配控制值为±1％，功率失配控制值为±1％。因此，光伏组件匹配损耗系数取值为3％。

2）光伏组件表面灰尘等污染折减。灰尘、积垢等污染太阳电池表层，从而使发电量下降。太阳电池污染折减取2％，太阳电池污染折减系数取98％。

3）不可利用的太阳辐射损失。考虑日出和日落时太阳辐射强度较小，低于逆变器直流输入电压下限的损失情况，将光伏发电系统的可利用率定为98％。

4）温度损耗折减。一般光伏组件适应的温度范围为-40～80 ℃，其发电受环境温度影响，光伏组件方阵的运行效率有所下降。综上考虑，光伏发电系统温度影响折减按4％考虑，温度损耗折减修正系数取98％。

5）直流侧电缆线损，折减系数取 97％。

6）逆变器转换效率折减。考虑逆变器厂家对逆变器转换效率的保证，折减系数取97％。

7）交流侧线损，折减系数取97％。

8）其他损失折减。光伏发电系统检修及故障，将常规检修安排在日射量小的月份。根据光伏发电系统的制造水平和实际条件，拟定光伏发电系统的可利用率为 99％。

综上所述，在未考虑系统设备元器件老化导致的效率衰减情况下，系统总效率为66％～74％。故K3建议取值范围为1.35～1.52。

表3　不同管径管道（镀锌钢管）沿程阻力系数表

4　工程实践分析

根据以上配置方法，我们进行了多个工程项目实践测试。以2014年贵州省贞丰县某光伏扬水工程为例，该项目为该县新建工业园区提供生产、生活用水，日均用水量需求T=250 m3，蓄水池与取水点最大高差H=88 m，铺管距离L=1500 m。

表4　贵州省贞丰县日均太阳能辐射量

贞丰全年太阳能辐射量（22年平均值）为1361.57 kWh/m2，属于太阳能资源丰富区域。太阳能辐射值排名第9的月份为10月份，取该月观测值Rm=91.14 kWh/m2，根据式（2）计算系统流量Q=84.79 m3/h，DN=max｛DNi|由式（5）计算得到沿程管损H2=79.46 m，有效扬程H1=H+1.1H2=175.7m。选用南方泵业SJ系列潜水泵，K2=0.8，K3=50.69 kW，由式（6）和式（7）计算得到光伏板功率P=K3Pe=70.96 kW。系统最终配置见表5。

表5　光伏扬水系统配置表

系统设计时，控制器集成GPRS模块可远程采集流量数据，图2为该套光伏扬水系统1年来的日提水量情况。

图2　系统提水量

分析全年提水量数据可得出，该光伏扬水系统全年内共有46天由于阴雨天气提水量＜250 m3，占全年的12.6％，其中，最长连续天数为3天，冬季日均提水量为273.79 m3。工程实施时，通过建造400 m3蓄水池提高需水量，在有效节约建造成本的前提下最大程度满足居民用水需求。可见采用上述配置方法，可对光伏扬水系统配置参数进行较为准确的计算，保证系统高效、可靠运行，同时有利于系统建造的成本控制。