光伏泵站在农村水利工程中的运用

罗光学

（云南省临沧市凤庆县水务局，云南 凤庆 675900）

0 引言

自党的十六大以来，国家对于农村水利工程建设就保持着高度重视，无论是人力还是财力方面都在加大投入。党的十八大报告中也表示，一定要加强农村水利工程的建设脚步，进一步为现代化农业的发展打好基础，全方位增强农业综合生产能力[1]。在新形势的发展驱动下，为了更好地适应现代农村农业发展的需求，农村水利工程建设需要在传统道路上打开新的突破口。结合实际调查发现，农村农业生产配合光伏水利运作，在实现水资源充分利用的同时，不但能够满足农村人畜饮水、农业灌溉的基础需求，还能够促使农作物增产和农民增收，整体运算发现工程的运行成本也得到了更好的控制。

1 光伏泵站在水利工程建设中的必要性

水利工程建设是农业的命脉，直接决定了农业发展道路能否可持续，因此在最初的勘测设计工作当中需结合当地的实际状况展开分析，并总结民众的多方诉求，不断改良并优化工程建设措施。光伏泵站是集光、机、电为一体的系统技术，具有诸多优势，无须人员看管、无须化石能源、无须综合电网，独立运行，安全可靠。基本解决了传统泵站建设成本高、施工困难大、能源消耗大、环境污染大的问题，也解决了水利设施由于地理位置的偏僻造成的用电难，管理难问题。光伏泵站在光伏事业推广的道路上迈出了重要的一步，太阳能资源没有地域限制，分布广泛且取之不尽，用之不竭，可大幅度降低工程运行成本，光伏水利作为我国农业现代化未来发展趋势，符合国家建设“资源节约型”与“环境友好型”社会的发展战略。

2 光伏泵站案例介绍

云南省临沧市凤庆县是光伏泵站农村水利工程建设基地之一，辖区面积3335km2，常住人口38.54 万人，境内山区占97%，山高坡陡，水资源分布不平衡。过去的很多时间里一直在想办法解决缺水地区的农村用水问题，尝试过打井及引水等多种方式都没能实现用水保障。2010 年以后，该县逐步探索光伏泵站的应用，共建大小光伏泵站40 余座，彻底解决了用水难题。该基地常用光伏发电板由6 块组成一个整板，每天能够吸收的电是18V，比方说一个基地将118 个板集中到一起就是600V，总装机为150kW，也就是说每小时所产生的电就是15kW·h，根据工程供水要求配置相应发电板，完全能满足泵站运行。通常在建设光伏泵站的过程中，对于地势高且分布广的工程会选用两级提灌，具有实用性高、节约工程投资的优势。

现有的小湾水电站是澜沧江中下游河段阶梯级电站的龙头水库，同时也是云南省西部大开发开放的标志性工程，实现了“西电东送、云电外送”的目标。在小湾水电站建设完成后，凤庆县沿库区各乡镇也开始抓紧发展机遇，结合库区丰富的水资源，积极争取项目资金，实施光伏泵站提水工程，满足当地生产生活用水需求。通过光伏泵站提水，大量种植香蕉、沃柑、澳洲坚果等经济作物，打造库区特色经济带，助力当地群众脱贫，最大化实现光伏泵站所带来的经济效益。而且光伏泵站系统在建造后，参与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，有效解决耕地末端灌溉问题，提高产量，节水节能，大幅降低传统能源、电力的投入成本。光伏泵站建设完成后，通过太阳发电就能够满足泵站的工作用电需求，以一年为周期来看不仅减少了大量电费，还节约了大量的人工成本。在为当地居民解决了用电难及管理成本高的难题后，还为后续的水利工程建设成功探索了高效、清洁、科学的建设经验。

3 光伏泵站所带来的作用和改变

光伏泵站所带动的水利工程建设系统是集光、机、电为一体的系统运作模式，主要是通过太阳电池将太阳能直接转换为日常生活中所使用的电能[2]。配置光伏泵站的水利工程能够在水头较低且无外源带动的情况下机动灵活地用于农田灌溉、提供洁净人畜饮水、发展庭院经济、美化园区、构造彩色喷泉等，通过纵向深入还可打造养殖产业的发展。为现代农业的节能、环保等提供基础的支撑，根据太阳能的原理，实现“日出而作，日落而息”的目标，打造良好的可持续发展里程。

4 光伏泵站的运作原理

光伏水泵亦称太阳能水泵，主要由光伏扬水逆变器和水泵组成。具体应用时再根据不同扬程和日用水量的需求配以相应功率的太阳能电池阵列，统称为光伏扬水系统。简单来说，泵站又称抽水站，用于提高水位或增加水压的水泵、动力机、进出水管道、电气设备、辅助设备、前池、进水池、出水池、机房等的综合体[2]。根据它的使用目的、动力类型、取水水源及能否移动等特点又可分为灌溉泵站、排水泵站、排灌结合泵站、多功能泵站、水锤泵站、井泵站、水轮泵站、抽水蓄能泵站、风力泵站、恒压泵站、泵车和泵船等[3]。光伏水泵的水泵不一定是潜水泵，也可以是地面泵，还需结合当时的使用环境和当地的条件。光伏泵站所选用的逆变器是通过高效的高频隔离多路MPPT 跟踪形式，从某种意义上来说能够实现单路光伏的MPPT 跟踪，不但发电效率高，还能够同时完成避免汇流箱由于热斑而产生的过热现象，相比之下更具安全性和实用性。

4.1 光伏阵列

光伏泵站的建设不只是包含太阳能的采集，同时还结合了逆变器的变换作用及电力电子、电机、水机、计算机控制等不同的学科技术，综合应用到系统操作措施当中，尤其是在干旱的高海拔山区尤为适用。光伏阵列的形成主要是由于大量的太阳能电池，经过规律的分布后串联在一起而形成了大片的光伏阵列，其实就是通过太阳能转换的方式形成直流形式的电能运作系统。现如今，光伏泵站系统当中较为常见的太阳能电池一般为多硅太阳能电池，在这之中还包含由单晶硅、多晶硅、以及非晶硅太阳能电池等，不同的电池其运作原理也各不相同[5]。

4.2 控制器

光伏阵列的电源输出和太阳辐照度、环境温度、天气变化等气候条件等各方因素都有着相应的链接，光伏泵站的输出量会随着日照的变换而发生变换，其中变换情况最为明显的当属直流电量。但是作为光伏阵列负载的光伏水泵、直流/交流电机、以及各类新型电机等都可以作为驱动电机存在，在这个时候，如果想要通过光伏系统的运作来带动水利工程的推进，还需要结合实际状况选择合理的控制器进行运转[6]。而且对于任何日照条件都需要实现光伏阵列输出功率的最大保障，此环节当中可通过适配器进行调节，在维护日常运转的同时还能够起到相应的保护作用。光伏扬水逆变器对系统的运行实施控制和调节，实现最大功率点跟踪。当日照充足时保证系统额定运行，当日照不足时，设定最低运行频率满足，确保太阳能电池电力的充分应用。而且光伏泵站的运转系统无须人为操控，属于全自动运行状态，从某方面来说大幅度节约了人力资源成本。

4.3 变频器

光伏泵站的工作原理大致可归纳为光伏输出直流，然后通过逆变转换为交流电，交流电进入变频器，变频器改变其频率输出到AC 水泵。主要是由于光伏输出直流电到逆变器，直流电在远距离传送电能里面损耗小，二逆变器输出交流到变频器，然后直接把直流电变成交流电输出给变频器，而变频器就是做到频率可调的控制电机的转速等，为日常操作及调控等提供了极大的便利。当遇到逆变器的要求（逆控一体机），在不带蓄电池的情况下也是这样直接光伏阵列-逆变器-水泵的，不过这套系统之所以要分开是因为水泵逆变器供应商的逆变器不带电池，当配上电池就可以随时用水泵取水。这个时候就可以把一体式的逆变器直接连接到电池上（可以视为输入端是稳定的直流电），请逆变器厂家在软件上略作调整，电池电压低到某个程度时停止工作（保护电池），但需要在太阳能和电池之间增加充电控制器。

4.4 水泵

水泵是输送液体或使液体增压的机械。衡量水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。科学合理配置水泵不容忽视，在功率不大的系统中，特别是需扬程高但流量较小的环境下宜选择容积式正位移水泵，在其他情况下可采用离心式或轴流式水泵。常用的离心泵按照控制原理可分为交流水泵、有刷直流水泵、无刷直流电机式水泵、无刷直流磁力隔离式水泵、三相交流水泵等，根据工程建设环境、投资、扬程、流量等要素加以比选。

5 光伏泵站在运用中存在的问题

5.1 光伏组件质量参差不齐

2001 年国家推出“光明工程计划”后，一批现代光伏组件生产企业诞生，受科学技术条件等多方因素的限制，再加上当时科研资金不充裕的情况下，导致光伏组件产品质量参差不齐，兼容性不强，且存在以次充好现象。早期建设的光伏泵站属探索阶段，光伏产品的好坏从外观往往难以分辨，且可选择范围较小，光伏泵站建设无经验可寻，设计粗糙，建造水平低于国家规范。自2014 年2 月8 日出台《关于加强光伏产品检测认证工作的实施意见》后，光伏组件产品质量得到规范，光伏泵站建设技术水平进一步提升。

5.2 操作水平及自动化水平不高

对已建的农村光伏泵站运行调查中发现，大部分的泵站在日常运转中并没有高科技理论的支撑，也就是说在维持泵站运转中并没有自动化监控等科技的配合，而且泵站的各项设备也不符合现代化管理规范，这就导致光伏泵站机组间的匹配效果较差，从而降低了泵站运行的有效率，其技术化层面也需要全面提升。在光伏泵站的日常运转中缺乏相对完善的管理制度，而且当地政府单位对于泵站的持续资金投入也并未保持相应的重视，导致本该被淘汰的电气设备没有及时进行更换。

5.3 科学管理水平较低

农村水利工程的建设属于国家长期投资计划，然而在实际状况中经常会发现中投资建设，而忽略科学管理的现象存在，尤其是对于日常运行程序固定，且效益发挥有限的泵站相较而言日常管理意识更为薄弱。在调查工作中经常发现部分的泵站设备开关由于长时间的腐蚀，没有经过科学的维护管理或更换，导致设备的开关经常会出现失灵现象，进一步影响了泵站的整体运作灵敏度，且存在安全隐患。而且大部分的光伏泵站管理人员，并未经过专业的系统性培训，整体专业素质欠缺，在管理方面也并没有相关的经验，无法有序维持泵站的日常管理运营。没有科学的管理系统进行管理，导致工程运营效益低，无法有序维持日常的运转，需政府资金不断投入，更难实现“以水养水”，泵站功效达不到设计值。

6 光伏泵站建设维护的相关对策

现有的大部分光伏泵站从建设到现在经过了长时间的运行，由于早期光伏泵站存在一定的设计缺陷，再加上长时间的风吹雨淋及空气腐蚀，部分的泵站设备经常会出现失灵现象，影响泵站的整体运行，导致在设备工作运转中的存在安全隐患，且发挥不出应有的效益。在后续的光伏泵站建设维护中，应不断改进技术，加强维护管理，实现工程效益目标。

6.1 加强工程设计和质量管理

光伏泵站的工程设计应因地制宜，优化工程设计方案，以工程功能的需求出发，以技术先进性、工程造价严谨性、科学的进行设计方案优化，通过对先进设备、先进施工技术的设计，提高工程施工效率，达到降低施工成本、降低投资的目的。在施工管理过程中，配备配齐水利、机电、光伏专业类技术管理人员。管理人员不但要熟悉工程整体的施工流程及设计图纸，还要掌握好设计技术要求和关键注意事项，规范执行工程建设步骤。

在光伏泵站施工中往往是多工种、全方位交叉作业，施工队伍往往为了方便自己进行施工，有很多时候他们根本不管规范、标准。为确保质量达标，工程管理人员严格按《水利工程质量管理规定》加强管控，同时管理好“细部处理”，即对细小部位、各分项工程接合部，不同材料、不同工艺的交接处进行处理。细部施工阶段的施工质量，对实现项目总质量目标是至关重要的，这些部位一般设计无规定、或规范要求不太明确，需靠现场施工管理者、操作者的经验和技术水平进行恰当的处置。这一阶段管理的重点应放在合理安排交叉作业，抓好工艺处理和光伏组件、水泵成品保护上，要合理安排工序，解决好各分项工程施工的先后顺序，不影响施工质量；同时合理安排时间和空间，保证各分项工程必要的技术间歇。

6.2 规范日常维护管理

光伏泵站建成后需健全科学合理的泵站运行管理体系，结合实际制定管理规章制度，通过科学、高效的管理手段来确保泵站的安全运行。在日常运作过程中，要针对泵站的运行流程将任务划分，签订目标责任书，层层落实责任，开展责任目标考核制，增强大家在管理工作中的警觉性；经常对泵站工作人员开展培训，提升管理人员的泵站管理业务素质；对早期建设的光伏泵站，可增加管护经费投入，引进自动化监控、传感组件等系统设备，利用现代科技成果提高管理效率，节约人工成本。光伏泵站的后续维护当中，不但要做好常规泵站维护保养工作，还需要安排专人定期开展光伏发电系统的检测工作，并做好记录归档。对于可能出现的问题做好预防措施，确保光伏设备运行率，实现工程效益目标最大化。

6.3 及时处理运行过程中出现的问题

光伏泵站运行过程中，发现问题要及时解决，以最大程度降低水泵停运对用水户所带来的经济损失。如：出现异常响声，管理人员应及时展开调查分析，结合各种因素，找到问题出现的根本原因，避免问题的持续扩大；发现泵站电气设备等机械部件伴随有损坏现象的时候，一定要针对可能造成故障的原因展开详细分析，并及时的将实际状况上报至维修部门等待处理。当维修部门在接收到维修任务后，及时安排光伏组件、水机等专业人员前往解决相应问题，在维修过程中明确好相关责任人，开展责任化管理制度，进一步确保维修安全。同时，为了最大程度降低设备损坏对工程运行所带来的影响，维修部门需要尽可能的加快修整进度，通过加大资金投入，骋请高级专业人员参与等措施，全方位缩短维修工程计划所需要的工期，全力保障泵站的正常运转状态。

7 结语

光伏泵站对于农村水利工程建设的具有较大的发展空间，随着社会经济的发展，人们的生活水平和质量也在不断提升，国家对于水利工程建设的重视度也在不断提升。而泵站作为水利工程建设过程中必不可少的重要组成部分，泵站日常的正常工作运转对于水利工程的建设都有着直接联系。然而光伏泵站在水利工程建设中应用时间不长，难免会遇到一些问题，以往工作中实践经验不丰富，仍处于摸索进步阶段，因此为了进一步实现光伏泵站对水利工程建设所发挥的价值，还需要在实践中不断总结工作经验并归纳，不断升级和改良。