光伏节水系统及技术研究*

张亚琼 蒋辉霞 陈爽 刘波 何清燕 马霄

四川省农业机械研究设计院，四川成都

1 国内外研究现状

早在20世纪80年代，国外专家学者就开始对光伏节水灌溉技术进行研究。E-dzard Hafner 等[1]从作物需水量出发对水泵进行了最优选型，研究了太阳能光伏发电系统在滴灌设备中的运用。M.Abdolzadch等[2]研究指出较低的太阳能电池温度和硅晶片反射能有效增加光伏水泵系统效率。目前，太阳能节水灌溉技术在美国、欧洲以及亚洲部分国家已经推广使用，滴灌、微灌系统中使用太阳能作为能源的比例逐渐增加，使得偏远地区农业灌溉用电得到保证[3]。

当前我国节水灌溉系统所用的水资源大部分源于水库，水库到农田距离较远，需要运输，在运输过程中存在一定的灌溉水资源浪费[4]。近年来，国内一些研究机构和研究人员进行了大量关于太阳能提灌站的探索与研究。研究人员在电池性能改进、变频逆变器或驱动控制器、计算机控制技术、系统计算机仿真等方面开展了大量的研究工作，取得了一定的成果[5]。

太阳能提灌要真正实现大面积推广应用，必须着力降低机组建设、运行和维护的成本，需要从太阳能发电系统、水泵运行系统和控制系统三方面进行优化配置，根据三方面系统的特点，找到最佳结合点。

2 光伏节水系统研究

本研究将太阳能发电技术与提灌供水技术进行有机结合，发挥各自优势，研究形成了光伏节水新装置1 套。该装置通过简化系统结构，降低了建设成本，避免使用过程中因电池老化更换电池产生的费用及旧电池对环境的污染，提高了灌溉用水效率，达到了节约用水的目的。

光伏节水系统组成包括三大系统——提水系统、发电系统、控制系统。

2.1 提水系统

提水系统主要包括光伏提水专用离心式潜水泵机组、耐震压力表、止回阀、闸阀及配套水源工程及管路等。提水系统主要是将低位水池的水通过泵加压输送至高位水池，解决高位水池的灌溉用水问题，提水系统如图1所示。

2.2 发电系统

发电系统主要包括太阳能光伏组件阵列及配套支架、接地及避雷装置、逆变器、控制器、电缆等。发电系统的工作原理是太阳能光伏组件阵列通过太阳能电池板将太阳能转换为电能，为光伏节水系统提供电源，发电系统如图2所示。

2.3 控制系统

控制系统主要包括太阳能光伏提水控制柜（含太阳能光伏提水系统用控制逆变器、可视化界面、PLC、低压电器及液位控制器等），用于对提水机组等进行自动启停控制等。

图1 提水系统示意图

3 光伏节水技术研究

3.1 提水技术研究

通过光伏提水专用离心式潜水泵参数进行提灌站水泵选型，同时确定电机型号及配套功率。水泵配套的电机容量按水泵运行可能出现的最大轴功率进行选配，并留有一定的储备，从而确定适宜的光伏提水专用水泵机组型号、输水管道、电机功率以及管道的压力等级等，以满足系统动力要求和茶园的灌溉需求。

光伏提水专用离心式潜水泵技术要求：全不锈钢结构设计制造，长时间无故障运行；所有金属部件均为304不锈钢，泵轴采用431 高强度不锈钢。电机、水泵一体，潜入水中运行，需保证安全可靠。潜水泵每级导流壳中装有一个橡胶轴承；叶轮用锥形套固定在泵轴上；导流壳采用螺纹或螺栓联成一体。潜水电机采用水润滑轴承，下部装有橡胶调压膜、调压弹簧，组成调压室，调节由于温度引起的压力变化；电机绕组采用聚乙烯绝缘，电缆连接方式按QJ 型电缆接头工艺，把接头绝缘脱去，刮净漆层，分别接好，焊接牢固，用橡胶绕一层，并用绝缘胶带缠2～3层，防止漏电发生安全事故。

图2 发电系统示意图

图3 控制系统示意图

3.2 发电技术研究

太阳能电池组件是太阳能发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能转化为电能，推动负载工作。结合系统提水技术特点、控制技术特点及运行模式等，优选出最大程度利用光照资源和发挥最大综合效益的光伏组件型式。本研究根据相关的参数确定了适宜的太阳能发电参数配置，光伏组件斜面朝南±5.0°以内，与水平面安装角在28°±0.5°之间。

3.3 控制技术研究

控制装置内装有可编程控制器、可视化界面。可编程控制器用于接收手动指令输入、液位信号、光照强度信号等，根据控制逻辑启动水泵，并与光伏提灌逆变控制器、可视化界面进行通讯，执行相应控制动作，采集相关运行参数，并在可视化界面上显示系统运行参数。

控制系统在分析光伏组件和水泵运行特点基础上，采集光伏组件输出功率、水泵运行状况两方面的反馈数据，通过对自动控制系统的组成、控制参数的选择和算法进行优化，可动态控制水泵机组的起停操作，使参数采集和系统运行满足自动运行的需要。

4 结论

本研究将适宜的提水技术、太阳能发电技术、控制技术等进行了有机组合，通过太阳能光伏组件的串并联组合，将太阳能转换为电能，让光线条件不好和电力匮乏的边远山区也能实现可靠提水。