云南省光伏水泵的适用性分析

李中华，张云峰，王树鹏

（云南省水利水电科学研究院 农村水利与水资源研究所，云南 昆明 650228）

云南省光伏水泵的适用性分析

李中华，张云峰，王树鹏

（云南省水利水电科学研究院 农村水利与水资源研究所，云南 昆明 650228）

文章根据光伏水泵的工作原理对其优劣势进行了浅析，并结合云南省自然条件，对光伏水泵在云南省的适用范围和规划设计要点进行了分析，并对其发展前景作了展望。

光伏水泵；优劣势；云南省；适用性；分析

1 光伏水泵工作原理

光伏水泵亦称太阳能水泵，其基本原理是利用太阳能发电系统将太阳能直接转换为电能，驱动电动机带动水泵从水源提水。一般由太阳电池组件组成的光伏阵列、太阳能充放电控制器、蓄电池组、逆变器、光伏水泵构成。

（1）光伏阵列

太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和多元化合物电池等。单晶硅和多晶硅电池转换效率较高，寿命长，应用量最大。单一组件的太阳能电池发电量是十分有限的，实际运用中，通常把单一组件通过电缆和汇线盒实现组件的串、并联，组成整个的组件系统，称为光伏阵列。

（2）控制器

控制器是独立光伏发电系统中非常重要的部件，控制光伏阵列对蓄电池组进行充电，并控制蓄电池组对后负载的放电，实现蓄电池组的过充和过放保护，对蓄电池进行温度补偿，并监控蓄电池组的电压和启动相关辅助控制。

（3）蓄电池组

蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，需要的时候再释放出来。蓄电池组是独立光伏系统中的电能储存单元，也是通过单节蓄电池的串、并联组成整个的电池组，太阳能电池产生的直流电通过光伏控制器进入蓄电池储存。目前，国内广泛使用的太阳能蓄电池主要是铅酸免维护蓄电池和胶体蓄电池两类。

对于农村供水或灌溉可以利用较大容积的蓄水池或库塘作为蓄能设施，省掉蓄电池，有效降低建设成本和运行费用。

（4）逆变器

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逆变器就是把直流电（例如12VDC）逆变成交流电（例如220VAC）的设备。一般分为独立逆变器和并网逆变器。光伏泵站中一般采用离网的独立逆变器。

（5）负载

光伏提水负载即为水泵，水泵根据其工作特点可分为离心式水泵和容积式水泵两类。

由于光伏发电具有随日照的多变性，致使传统水泵难于工作在最佳工作点附近，对水泵的稳定性及寿命都具有挑战性，因此相关企业已经开发了大量适宜光伏供电的新型泵，比如：容积泵。容积泵的特点是适用于高扬程、小流量，其工作效率曲线较平缓，在中、低频时效率表现仍然较好，几乎没有离心泵在中低频率段不出水的现象。在同等扬程和日抽水量的情况下，其配套光伏板的数量较离心泵要少1～1.5倍。

2 光伏水泵经济性分析

由于近几年太阳能电池及其它电子控制器件的降价，光伏发电的优越性愈发凸显。2007年太阳能电池的成本是36元/w，2014年已经降到3.8元/w，7年时间几乎降到原来的1/10。现在光伏发电度电成本是0.7～0.8元，国内个别企业已经宣称可以实现度电成本0.4元，直逼火电成本，将对未来能源结构产生革命性的影响。下面将针对不同装机的光伏水泵、常规柴油机水泵、电网供电水泵在建设成本和运行成本方面作简要的对比，见表1。

表1 水泵成本计算对比表

从表1可看出，柴油机水泵初期投资最低，其次是电网水泵，光伏水泵系统建设成本相对较高，但随着运行年数的增加，常规的柴油机水泵和电网水泵运行维护费用将不断增加，5年以后，柴油机水泵的水成本将是光伏水泵水成本的两倍以上。光伏水泵尽管其一次性投资较大，但其运行费用极低，每方水提水成本与内燃机提水和电力提水相比是最经济的。

3 光伏水泵优劣势分析

3.1 光伏水泵优势

（1）运行成本低，经济可靠，使用寿命长。光伏水泵技术将储电变为储水，有效降低了系统成本，与常规柴油水泵及电网供电相比也有经济上的优势，太阳能电池组件及电源系统能可靠地运行25年以上，可以节约20年以上的电费，具有一次投入长期受益的特点。虽然前期投入相对较高，但从项目的长期运行来看，光伏水泵是最经济的提水技术手段。

（2）清洁环保。太阳电池组件是利用光生伏特效应将太阳能直接转换成电能，没有可动部件，发电过程没有噪音，没有任何污染排放，是利用清洁可再生能源。

（3）不受电网距离、电源不便的限制，有稳定水源的即可建设抽水系统。

（4）光伏水泵是通用标准型产品，容易选型、配套；建设周期短，应急效果好。

（5）与柴油机和常规电源抽水相比，光伏水泵的运行维护具有安全可靠、故障率低、自动化运行、无需人员职守、管理费用较低的特点。

（6）光伏水泵系统可以按模块化建设，可根据负荷的增减，通过添加或减少太阳能方阵来分期建设，分期发挥效益。

3.2 光伏水泵劣势

（1）受限于光照时长和光照强度，阴雨天和夜间不能抽水，调节功能有一定限制。

（2）太阳能板能量密度低，相对传统提水工程其占地面积较大，需对太阳能板采取适宜的保护措施。

（3）太阳辐射及温度随时间波动对光伏系统的运行有不利影响。目前主要采用固定电压控制模式解决，通过智能变频控制等新技术来调整水泵的工作功率，真正实现了动态最大功率跟踪，显著提高了系统效率，降低了系统成本。

（4）受系统规模及投资因素影响，光伏水泵适应范围还较小，一般能正常供水的人口规模或有效灌溉面积不宜过大，存在一定的局限性。

（5）一般需要规模较大的蓄能设施，包括蓄电池或蓄水设施等。

4 云南省光伏水泵的适用性分析

4.1 云南省自然条件

云南省河流、湖泊众多，水资源丰沛，多年平均水资源总量为2210亿m3，居全国第三，多年平均人均水资源量约5000m3，约为全国人均水资源量的2.3倍，但水土资源的时空分布极不平衡，山区和高原半山区占全省土地面积的94%，地形复杂，山高水深，开发利用难，大江大河水量虽然多，但干流河床切割深，水低田高，形成了“水在下面流，人在上面愁”的局面，常规提水技术的运行成本很高，常常是提灌站建得起用不起，开发利用困难。在相对偏远的山区和半山区，人居分散、耕地面积分散、交通不便、能源供给困难，电网架设距离远且线损高、效益低，致使提水动力无法解决，这已经成了限制这些地区人畜饮水和灌溉发展的关键因素。云南省光照条件较好，每年每平方厘米为90～150千卡，仅次于西藏、青海、内蒙古等省、自治区。一些干旱地区太阳能资源相对更丰富，年日照时间在2200h以上。在云南省使用光伏水泵有较好的自然条件。

4.2 光伏水泵在云南省适用范围分析

云南省水资源及光热资源丰富，山区面积较多，现状共有小型灌区4027个，坡地较多，居住人口及耕地面积较分散，很多灌区没有电网覆盖或离电网较远，水低田高，没有骨干水源工程可依托，有水用不上的问题较突出，灌溉保证率较低。部分原来建设的常规能源泵站由于运行成本较高，农户难以承受，很多泵站未达到使用年限就已提前废弃，造成了投资浪费。

近几年云南省干旱情况严重，虽已建成了大量的骨干水源工程和山区“五小水利”工程，但由于骨干水源工程（水库）和小坝塘、水池（窖、柜）等蓄水不足，加上灌溉渠系等不配套，运行管理差，灌溉缺水问题依然突出。结合云南省实际情况，光伏水泵在山区或半山区人畜饮水、提水灌溉、库塘补水、草原畜牧用水以及景观用水等方面均可得到有效利用。云南省怒江州、迪庆州等区域光热资源丰富，山高谷深，人口及耕地面积分散，工程性缺水严重，光伏水泵适用性强，在部分没有电网覆盖的区域，其应用价值更高。

4.3 光伏水泵规划设计要点分析

（1）选择可靠水源

光伏泵站为永久建筑，有稳定、可靠水源是前提，在满足水土资源平衡的前提下才能考虑建设光伏泵站。若以江河湖泊较大水体为水源时，要重点分析其水位变化情况（尤其季节性河道取水）；若以打井工程为水源时要注意研究动水位，以便合理布置吸水管安装高程，也可考虑选用潜水泵。

（2）合理确定装机规模

根据光伏水泵供水对象，参照《村镇供水工程技术规范》（SL310-2004）、《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB-T20203-2006）、《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009）、《灌溉与排水工程技术规范》（GB50288-99）等相关规范，合理确定其供水规模，结合水源与供水服务区的高差关系，经水力计算确定光伏水泵扬程，根据设计流量及扬程选取适宜的光伏水泵。高扬程、小流量的水泵可选用容积泵，低扬程、大流量的水泵可选用离心泵，建议进行方案对比后确定。

（3）选择合适的安装场地

根据确定的泵站规模、资金情况及场地条件选择适宜的光伏阵列，场地尽可能选择日照长的南向场地作为光伏列阵的安装区域，计算出光伏阵列方位角、最佳倾角及占地面积。同时避开潜在遮阴的建筑物或树木等，可优先考虑布置于房顶、荒山荒坡等区域，根据实际地形可考虑分散布置，尽量少占用农田和居民用地，工程设计中要切实考虑永久征占地的问题。

（4）系统要有适宜容积的蓄水池或库塘

光伏水泵蓄电池寿命有限，使用成本较高，在光伏水泵推广应用时，结合工程需要，优先考虑蓄水池或库塘作为蓄能设施，避免采用昂贵的蓄电池进行储能。

作为农村人畜供水的光伏泵站蓄水池容积可以根据保证率要求合理确定，当调节容积跟水质卫生要求矛盾时，可以安装实时消毒设施，或者按照规范再新建清水池。

用于农灌供水的光伏泵站，为满足灌区灌溉制度、工作制度的要求，规划设计中可利用较大容积的蓄水池或库塘蓄水，这样可充分利用光伏泵站的有效工作时间。

（5）尽量采用高效节水灌溉措施

考虑到光伏泵站建设成本较高，用于农田灌溉时，首先应适当优化作物种植结构，尽可能种植高附加值的经济作物，以充分发挥工程效益。建议尽可能采用高效节水灌溉措施，如：管灌、喷灌、微灌等，有效提高灌溉水利用系数，根据相关规范，合理确定灌溉制度和工作制度，优先采用轮灌工作制度，优化系统流量、光伏水泵规模、管材及管径等，有效降低建设成本。

除以上几点外，光伏提水工程规划设计应符合《光伏提水工程技术规范》（SL540-2011）、《太阳能光伏水泵系统》（NB/T32017-2013）等相关规范和行业标准的相关要求。

5 云南省光伏水泵发展前景分析

光伏水泵是利用来自太阳的持 久绿色能源，其具有运行成本低，经济可靠，清洁环保等诸多优点。云南省水资源及光热资源丰富，山区面积较多，水低田高，居住人口及耕地面积较分散，光伏水泵在云南省适用性较高。光伏水泵技术日趋成熟，在“能源问题”严重性不断提升的今天，在各地政府及相关部门的重视和积极努力下，光伏水泵已在云南省人畜饮水、农田灌溉方面等方面得到逐步应用，推广及应用前景广阔。

［1］SL540-2011.光伏提水工程技术规范［S］.

［2］NB/T32017-2013.太阳能光伏水泵系统［S］.

［3］查咏.风力和光伏提水泵站的优化设计［J］.中国农村水利水电，2010（08）.

［4］刘伟，吴永忠.太阳能光伏提水节水灌溉技术［J］.节水灌溉，2004（05）.

S277

B

1672-2469（2017）10-0015-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.005

2017-03-21

李中华（1980年-），男，高级工程师。