基于广西太阳能资源的光伏水泵应用分析

2020-06-30

桂林师范高等专科学校学报 2020年2期

（桂林师范高等专科学校物理与工程技术系，广西桂林541199）

广西受资源条件限制，煤、石油等一次性能源生产能力有限，能源消费70%左右需要从区外购入，对外依存度较高。清洁可再生能源消费比重低，环保压力大。能源问题使广西经济和社会发展受到制约。董博[1]等人对广西能源需求及供需平衡进行了预测和分析，得出2030年广西能源消费需求将达1.103×108吨标准煤，能源需求缺口高达5.667×107吨标准煤，数据分析中显示越往后能源需求缺口越大，因此需要寻求新的能源补充，同时，为建设“美丽广西”还须考虑环保等问题。

广西地形复杂，河流众多，沿海、沿江的区位优势突出，是全国水资源丰富的省区，水资源量在全国居第五，但水资源主要分布在河川径流中，比较难利用。通常是水源在低处，需要用水地在高处，自然条件下水不能到达需要用水地，造成了能见到水但用不到水的缺水现象。

鉴于以上情况，本文基于广西地区的太阳能辐射资源特点，结合光伏水泵优势分析广西地区发展光伏水泵应用的可行性。

一、光伏水泵系统

光伏水泵系统是太阳能电池将太阳能转化为电能，之后利用控制系统将电能驱动水泵工作并将水从水源处抽取到用水的地方的工作系统。系统能日出而作日落而歇，具有运行成本低，经济可靠，清洁环保等诸多优点。光伏水泵系统主要含有太阳能电池、控制系统、水泵、储水池和管道等。当安装使用具体的系统时，根据用户对水量的需求确定配以适合的水泵和太阳能电池功率，系统组成简图如图1所示。

图1 光伏水泵系统组成图

二、广西光伏水泵适用性分析

（一）广西水资源概况

广西为全国水资源丰富地区，多年平均水资源总量为1880亿立方米，占全国水资源总量的7.12%，居全国第五位。然而全年降雨量的81%主要集中在4-9月，11月至次年3月往往出现旱灾情况。地貌以中山、丘陵为主，占总面积的68%左右[2]。地下水储备丰富。

（二）广西太阳能资源概况

广西壮族自治区气象局何如[3]等人已对全广西太阳能资源做了研究，近50年来，全年辐射总量变化不大，全区太阳能资源呈现南多北少，辐射资源最好的涠洲岛全年辐射高达5643MJ／m2，辐射最低的金秀全年为3682MJ／m2，而桂林地区全年辐射约为 4100MJ／m2。广西全年按月份太阳辐射的分布如图2所示。

图2 广西全年太阳辐射按月分布图

广西地区太阳能总辐射在 3682MJ／m2～5643MJ／m2之间，照国家标准GB／T31155-2014中的太阳能资源辐射划分，广西地区太阳能资源整体处于太阳辐射丰富地区。太阳能辐射资源很丰富的是涠洲岛、北海等少数地区，年辐射总量大于5000MJ／m2；金秀、龙胜等为太阳能资源辐射一般地区，年辐射总量小于3800MJ／m2。

从图2中可以看出，桂林为全区太阳能辐射资源最差的地区。为分析光伏水泵系统在广西地区的可行性，选择桂林为研究对象，选取6月的一晴天，正南方向，45°倾角监测桂林全天太阳辐射强度随时间变化如图3所示。

图3 桂林正南方向45°倾角太阳辐射强度随时间变化情况

从图3中看出辐照度在一天基本呈现正弦函数变化，辐照度大于等于450 W／m2的在7小时左右，大于等于600 W／m2的时间超6小时，大于等于800W／m2的时间在3小时左右，近9.5小时辐照强度在200 W／m2以上。

（三）广西太阳辐射适合应用光伏水泵

太阳能辐射资源好可以使太阳能电池多发电，进而驱动水泵多抽水，而太阳辐射好往往是需水量多之时；阴雨天只能少抽水或不能抽水，但此时也是需水量较少之时，所以光伏水泵系统与太阳能资源有天然的互补性。此外，在可再生新能源应用中，太阳能属于领先的绿色能源，光伏水泵系统直接利用太阳能资源，不仅能缓解能源紧张，同时也解决环境问题。

目前，针对光伏水泵系统的利用国家尚未出台相关国标说明，工程应用中大多依靠已有经验适当配置建设。对此，王文仪[4]等人针对光伏水泵系统的利用也做了研究，从理论分析与实际应用得出太阳能电池功率与水泵功率之间的关系：

其中：PPv，太阳能电池功率，W；PP，水泵额定功率，W；Ht，水泵额定工作状态时太阳辐照强度，W／m2；γ1＝0.94，逆变器转换效率修正系数；γ2＝0.85，太阳电池在室外环境与标况测试损耗系数；γ3＝0.8，太阳能电池寿命内的自身损耗系数。

结合桂林太阳辐射资源对一套设计好的光伏水泵进行了实验研究，因实验环境灰尘等污染少，组件刚出厂使用，忽略太阳能电池在室外环境与标况测试损耗及太阳能电池寿命内的自身损耗，此时按照（1）式计算可得，太阳能电池功率与水泵功率配比115.6%，实验中配比为113.5%（太阳能电池方阵峰值功率420 Wp，水泵额定功率为370W）进行。

对配置好的光伏水泵系统进行实际的测试研究，太阳电池方阵45°倾角朝正南方向，当太阳辐照强度在450W／m2便能够正常抽水，根据图3中可知，水泵一天可以正常工作7小时左右，日抽水量在20m3，根据广西《城市居民生活用水量标准》够3个月的生活用水。将这一结果推广到太阳辐射资源比桂林辐射资源好的其他地区，抽水效果将会更加显著。

朱勋梦[5]等人分别从综合能源价格法等三个方面分析对比光伏水泵系统与常规柴油水泵及电网供电水泵系统，得出光伏水泵系统具有良好的经济效益，尤其在农业、干旱、边远缺电等地区更显优势，同时具有良好的环境效益。太阳能电池及电源系统能可靠地运行25年以上，且系统不需要蓄电池，将常规储蓄电能变成水池储水的势能，在需水时可自然浇灌或饮用，一次投入长期受益。光伏水泵系统符合可持续发展和节能减排的发展战略，在广西都具有很好的使用价值。

三、光伏水泵系统劣势与补偿方法

太阳能电池发电因受限于光照时长和光照强度，阴雨天和夜间不能工作；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；光伏水泵建设是一次投资，受系统规模及投资因素影响，光伏水泵适应范围会受到限制，存在一定的局限性。对于光伏水泵系统的这些劣势可通过以下两个办法来提高系统效率。

（一）太阳能跟踪技术

程龙[6]等人研究了追日式光伏水泵系统，得到跟踪发电量是固定式发电量的1.44倍，且全天发电功率比较均衡，在系统成本提高39%的同时出水量增加68%，综合性价比提高20%左右。

在图3测试所得的时间内对太阳能辐照进行了直射跟踪测试，测试所得结果与正南45°固定测试所得结果如图4所示

图4 正南45°与直射辐射对比图

从图4中可以看出太阳辐照度在正南45°一天的变化基本呈现正弦函数关系，直射辐照强度平均为正南45°的2.07倍，发电量可以达到固定角度的2倍，说明直射跟踪系统可以更加充分利用太阳能资源，较适合桂林等太阳能资源相对不是很丰富地区。

（二）多泵抽水技术

为使光伏水泵系统尽可能早运行抽水工作，必须要增加太阳能电池功率，这样无疑会使整个系统的投资增加。采用多泵系统工作运行方式，通过控制器的作用控制低辐照时启动一个水泵抽水，当辐照强度增加时再切换至另外一泵抽水，直至多泵运行抽水，这样可以延长水泵一天工作时间，同时太阳资源充足时也不浪费，实现高效合理利用太阳能资源抽水。