郑州地区光伏水泵系统的应用前景研究

2021-07-19梁国珍高小梅

现代食品 2021年10期

◎梁国珍，石明，高小梅

（1.郑州中粮科研设计院有限公司，河南郑州 450001；2.郑州市格沃环保开发有限公司，河南郑州 450045；3.河南机电职业学院，河南郑州 451100）

目前，日益严峻的化石能源使用带来的环境污染问题引起世界各国的关注，促使世界各国在节能减排的同时加强推进能源结构变革，逐步深化可再生能源的工程应用的研究。太阳能绿色、无污染、资源分布广泛、适宜就地开发利用，已经成为世界各国的研究热点[1]。在太阳能的利用方式中，光伏发电是以电能作为最终能量形式，能量通用性好，传输方便，可存储，具有光热利用和光化学转换方式无法替代的优势。当前，光伏发电系统在国内主要应用于以下4 个方面[2]：①为无电地区提供电力，例如偏远村庄供电，利用光伏水泵保障农作物灌溉和人畜饮水需要。②在通信和工业场合应用，如无线通信系统、微波中继站供电等。③日照丰富地区的大中型光伏发电并网系统。④民用光伏系统，主要是太阳能路灯、观光农业提水等。毋庸置疑，光伏发电技术已经渗透到国防科技建设、工农业生产、人们日常生活的各个层面，为满足我国持续增长的能源需求提供了新的解决方法和途径。

1 光伏水泵的研究意义

作为太阳能光电开发应用的一个重要分支，光伏水泵系统能静音、无污染地将太阳辐射能转化为电能，之后辅以电力电子变换技术控制电动机驱动水泵从江河湖泊或深井中提水，其基本结构如图1所示。与风力提水、柴油机提水单元相比，光伏扬水无需燃料消耗和大量的机械传动，系统规模可大、中、小并举，具有易安装、低运营成本、清洁无污染等优点，被认为是目前最有可能满足无电、缺电区域保障农作物灌溉和人畜饮水的首选方案。

图1 光伏水泵系统的基本结构图

光伏水泵系统集光、电、机控制于一体，是光电能量变换、电力电子变换、电机控制、流体机械设计等学科交叉、结合的集成应用，已被许多国家列为技术优先发展对象，并成为新能源技术应用于农业领域的一个重要研究方向。大力发展光伏水泵技术可以有效缓解无电区域的农业灌溉和生活生产供水问题[3]，对减少化石能源消耗、保护生态环境、提高人们生活质量具有巨大的社会效益和经济效益，具有非常好的应用前景。

2 郑州地区的太阳能资源条件

我国疆域辽阔，太阳能资源丰富，约2/3 的国土面积年日照在2 200 h 以上，年太阳辐射量超过5 000 MJ·m-2。如表1所示，河南省地处我国中部，属于太阳能资源良好区，这为河南省充分利用太阳能能源、减少化石能源消耗、改善能源结构、增强可持续发展能力提供了较好的资源保障。

表1 中国太阳能资源区划及特征表

郑州市作为中原城市群的中心城市，地处河南省中部偏北，位于北纬34°14′～35°54′、东经112°54′～114°8′，其中郑州市主城区（北纬34.7°、东经113.6°）的光照参数如表2所示[4]。

表2 郑州市主城区的光照参数表

可以看出，不论是夏季还是冬季，郑州地区太阳能资源较为丰富且比较稳定，冬季太阳能资源利用潜力较大，具有很好的应用前景。根据相关文献的历史统计结果表明，郑州地区年辐照量4 200～5 400 MJ·m-2，年均日照时数为2 451.2 h，小时最大总辐射强度为1 153.66 W·m-2，年总辐射强度为1.63 MW·m-2。郑州地区0～100 W·m-2的太阳总辐射强度分布频率最大，共911 h，占全年总日照时数的21%，超过100 W·m-2的太阳总辐射强度占到年总太阳辐射强度的79%，而且分布比较稳定。夏季，虽然郑州地区的太阳总辐射约为拉萨地区的74%、乌鲁木齐地区的81%，但其日照时数和日照百分率基本与兰州持平，且略微大于拉萨。尽管郑州地区资源一般，冬季太阳总辐射约为拉萨地区的54%、乌鲁木齐地区的58%，但其日照时数和日照百分率都高于乌鲁木齐市，略低于兰州地区。此外，与同地带的武汉市、西安市、合肥市相比，郑州地区的逐月太阳总辐射比较优越，且全年总辐射的变化比较稳且平缓[5]。