太阳能提水系统在青海牧区供水的应用研究

2022-04-12郭凯先侯诗文刘文兵

中国农村水利水电 2022年4期

郭凯先，李亮，侯诗文，胡伟，刘文兵

（1.青海省水利水电科学研究院有限公司青海省流域水循环与生态重点实验室青海省水资源高效利用工程技术研究中心，西宁810001；2.中国水利水电科学研究院牧区水利科学研究所，呼和浩特010020）

0 引言

青海省的天然草场面积占全国草场面积的10%，是我国四大牧区之一，仅次于内蒙古、西藏和新疆，居第四位。青海牧区自然环境条件恶劣，牧民居住较分散，畜牧业生产方式落后，导致牧区供水具有明显的特殊性，诸如高寒、缺水、冻胀、远距离、供水分散、供水量小等。人畜安全饮水现代化程度极低，局部地区还存在季节性饮水困难问题，小范围特殊区域供水保证率、水质和供水方便程度未能达到国家标准要求，尤其是高寒偏远地区，生产粗放、经济效率低下、常规动力无法到达，水源以地表水为主，人畜同源，水体污染，人畜饮水安全问题持续存在。

青海牧区牧场供水主要采用分散供水，供水水源井主要为小口井，井径110 mm，井深25～65 m，利用小口径水泵提水，提水动力主要为内燃机。内燃机在牧区使用具有较大的局限性，油料运输、储存不便，油料燃烧对草原环境存在一定的不利影响，而风能、太阳能属于清洁能源，同时青海牧区具有丰富的太阳能风能资源，是理想的风能太阳能提水系统发展地区，因此在青海牧区应用风能、太阳能提水系统是具有重要意义的。

目前，国外基本实现了牧区供水机械化，提水机具大多牧场采用清洁的风能、太阳能做为牧场能源动力。澳大利亚牧场有专门的动力设备（太阳能板、风力设备、电池、风车）、导管、水槽、栅栏，饮水槽等。美国牧场使用太阳能动力系统水泵，利用太阳能提水贮水池注满水。在水池上装一个浮动开关，当水池注满水时，定时器自动增重，于是注水停止。水箱装在高地上，水就从水箱中自动流出，可同时向3 个不同方向的牧场供水。在无太阳的情况下，蓄电池可以连续使用24 h，完全解决了牧场牲畜自动饮水问题。

我国牧区幅员辽阔，地区差异大，供水点多面广、条件各异、发展不平衡，供水可靠性差、保障程度低，分散牧民几乎没有自来水入户供水方式。提水机具大多采用内燃机，部分地区浅层水源井还在沿用古老的提水工具，如皮斗人力提水、辘轳提水、人力车水等，牧区针对风能太阳能的提水设备并不显见。

文中针对青海牧区的风能太阳能资源进行分析，引用了牧区供水模式，分析研究青海牧区风能太阳能供水系统的应用效果，对青海牧区推广清洁能源具有重要意义，对保障牧区牧民生产生活安全用水具有重要作用。

1 青海光资源

青海虽地处中纬度，但地势高，空气稀薄，干燥少云，太阳辐射被大气层反射和吸收的较少，因此日射强烈，阳光灿烂，日照充足。全年日照时数长决定了太阳总辐射量高。平均每天日照时数为6～10 h，夏季长于冬季，西北多于东南，多年平均日照小时数2 351.5～3 397.7 h，年太阳辐射量高达6 000～7 200 MJ/m2，比同纬度的东部季风区高出1/3 左右，仅低于西藏自治区，居全国第二位。

1.1 太阳辐射量

青海省太阳总辐射空间分布特征是西北部多，东南部少，太阳资源特别丰富的地区位于柴达木盆地、唐古拉山南部，年太阳总辐射量6 800～7 200 MJ/m2；太阳资源丰富的地区位于海南（除同德）、海北、果洛州的玛多、玛沁、玉树及唐古拉山北部，年太阳总辐射量为6 200～6 800 MJ/m2；太阳能资源较丰富地区主要分布于青海北部的门源、东部黄南州、果洛州南部、西宁市以及海东地区，年太阳总辐射量6 000～6 200 MJ/m2。

1.2 日照时数

青海省日照时数分布特征是西、北部多、东、南部偏少。多年平均日照时数在2 351.5～3 397.7 h 之间。多年平均日照时数最多的地区是柴达木地区，介于2 951.1～3 397.7 h 之间。其次为德令哈、格尔木、乌兰、天峻、都兰等。多年平均日照时数分别为3 093.7、3 083.9、3 046.6、3 023.12、3 071.5 h。青海省日照小时数较少的地区有玛沁、甘德、达日、班玛、玛多等地区，多年平均日照时数分别为2 544.6、2 420.2、2 474.0、2 371.4 h。

2 供水模式

太阳能供水在牧区应用较广泛，目前主要供水模式有：太阳能浅井供水形式、太阳能深井供水形式、太阳能蓄电池供水形式。

3 提水设备

3.1 太阳能提水设备

3.1.1 太阳能提水系统动力设计

（1）光伏阵列最大提水功率为：

式中：Nsf为峰值水功率，W；Qmax为水泵峰值流量，m3/s；H为系统总扬程，m；g为重力加速度，m/s2；ρ为水密度，kg/m3。

（2）光伏提水系统水泵峰值功率为：

式中：k1为流量修正系数，由于Qmax＞10 m3/h，取0.75；k2为提水机具型式修正系数，本系统采用离心泵，取0.8；k3—电力传动形式修正系数，本系统采用交流传动，取0.75。

（3）光伏阵列容量为：

式中：k4为太阳能资源修正系数，示范点太阳能年总辐射量小于1 400 kW·h/（m2·a），取0.7；k5为光伏阵列跟踪方式修正系数，本系统采用单轴跟踪式，取1.25。

（4）光伏阵列设计。光伏组件阵列必须考虑前、后排的阴影遮挡问题，并通过计算确定方阵间的距离或太阳电池阵列与建筑物的距离。一般的确定原则是：冬至日当天早晨9∶00至下午15∶00 的时间段内，太阳电池方阵不应被遮挡。通过阴影遮挡计算确定行距。光伏方阵行距应不小于以下公式的D值：

式中：D为遮挡物与阵列的间距，m；A为太阳方位角，°；ϕ为纬度（在北半球为正、在南半球为负），°；δ为赤纬角（-23.45°），°；H为光伏方阵的上下边的高度差，m；ω为时角，°。

3.1.2 提水控制器

利用通用变频器加MPPT 控制器的方式来控制光伏水泵系统，其系统组成如图1所示。变频器为市面常见的通用变频器，光伏阵列的输出可以直接接到变频器的直流端子上。对于直流端子没有外引的变频器，光伏阵列的输出也可以直接接到变频器的3个输入端中的任意两个。变频器的输出直接与机泵负载相连。控制器主要完成MPPT 控制、变频器频率给定控制和水位检测等功能（如图2所示）。

图1 通用变频器的光伏水泵控制系统Fig.1 Photovoltaic pump control system of general-purpose inverter

图2 控制系统原理Fig.2 Control system principle

采用通用变频器控制的光伏水泵系统，MPPT 控制可以采用CVT方式或TMPPT方式，由用户来选择。

3.1.3 提水水泵

光伏水泵系统的目的就是为了能稳定、可靠的多出水，或者说最后的工作都由电机和水泵来完成。因此，光伏水泵系统的驱动电机和水泵的选型非常重要。对于大多数潜水光伏水泵而言，电机和水泵构成一个总成件，要求有极高的可靠性。电机和水泵的搭配也不像常见的电机和水泵那样随便搭配，要综合考虑太阳电池阵列的电压等级和功率等级及水泵的扬程、流量等因素的制约。

（1）交流水泵。随着电力电子技术和交流调速技术的长足发展，三相异步电机具有结构简单、可靠性高、维修工作量小等优点，三相异步电动机的应用已越来越广泛。

（2）直流水泵。直流水泵内部集成最大功率点跟踪以及变换、控制等装置，驱动直流、永磁、无刷、无位置传感器、定转子双塑封电机或高效异步电机或高速开关磁阻电机带动高效水泵。外部控制盒装有防反向击穿电子元件，简单且易操作。

无刷直流水泵采用了电子组件换向，无需使用碳刷换向，采用高性能耐磨陶瓷轴及陶瓷轴套，轴套通过注塑与磁铁连成整体也就避免了磨损，因此无刷直流磁力式水泵的寿命大大增强了。磁力隔离式水泵的定子部分和转子部分完全隔离，定子和电路板部分采用环氧树脂灌封，100%防水，转子部分采用永磁磁铁，水泵机身采用环保材料，噪音低，体积小，性能稳定。可以通过定子的绕线调节各种所需的参数，可以宽电压运行。

直流水泵具有良好的长效经济性，特别是和常见的柴油机抽水相比较，具有压倒的经济性优势。发展这种新型环保节能产品无疑将会对发展产业、发展经济，特别是发展干旱地区的现代农业，带来巨大良好的经济效益和社会效益，它特别符合建设“资源节约型”及“环境友好型”社会的发展战略。

3.2 应用效果

通过建立试验点，检验设备提水应用效果。试验点于2016年建成，2017年、2018年连续试验2年，试验过程通过测量辐照度、电流、电压来计算不同辐照度对应的输出电功率；通过流量的测量计算水功率。

3.2.1 太阳能深井提水设备试验及效果分析

太阳能提水设备试验点位于青海省刚察县哈尔盖乡环仑秀麻村三社，受益范围包括周边10 户牧民，主要供给周边10 户牧民的生产生活用水与羊800 余只，牦牛300 余只的饮水问题，根据实际调查日需水量20 t。示范点水源井扬程50 m、光伏阵列采用固定倾角运行方式，根据当地太阳能资源，其满负荷小时数为5 h，供水流量为3 m3/h。通过计算，光伏阵列安装容量为1.65 kW。

（1）1.65 kW 光伏提水机组输出特性的分析（见图3）。由图3 可知，当辐射量达到700 W/m2时，提水效率达到最大值33.21%，随着太阳能辐射量的增加，提水效率又开始下降。随着辐射量的增加提水量提升较快，当辐射量达最佳效率点时，提水流量增加率变缓。

图3 1.65 kW光伏提水机组输出特性测试Fig.3 Testing of output characteristics of 1.65kW PV water lifting unit

（2）1.65 kW 光伏提水人畜饮水日提水量测试（见图4～6）。试验点7月份太阳辐射量为628.13 W/m2，日提水量为26.42 m3，光伏提水机组全月总提水量可达793 m3（见图4）。试验点8月份太阳辐射量为595.49 W/m2，日提水量为25.55 m3，光伏提水机组全月总提水量可达766.5 m3（见图5）。试验点12月份太阳辐射量为504.9 W/m2，日提水量为20.1 m3，光伏提水机组全月总提水量可达603 m3（见图6）。试验点在7、8的日提水量最高，12 m3日提水量最低，但日提水量均在20 m3以上，说明满足人畜饮水的要求。

图4 太阳辐射量、流量日变化曲线（7月）Fig.4 Daily variation curve of solar radiation and flux in July

图5 太阳辐射量、流量日变化曲线（8月）Fig.5 Daily variation curve of solar radiation and flux in August

图6 太阳辐射量、流量日变化曲线（12月）Fig.6 Daily variation curve of solar radiation and flux in December

3.2.2 太阳能浅井直流水泵提水设备试验及效果分析

直流光伏提水设备试验点位于青海省刚察县伊克乌兰乡角什科秀麻村一社太阳能直流泵供水，受益范围包括周边3 户牧民，主要解决周边3 户牧民的生产生活用水与羊900 余只，牦牛210 余只的饮水问题，日需水量20 t。水源井深10 m，水泵扬程12 m，光伏阵列采用对光旋转运行方式，根据当地太阳能资源，其满负荷小时数为5 h，供水流量为4 m3/h。根据计算，光伏阵列安装容量为450 W，水泵功率350 W。

（1）450 W 光伏提水机组输出特性的分析（见图7）。由图7可知，当辐射量达到300 W/m2，直流提水系统开始进行提水；当辐射量达到最大值（800 W/m2），效率效率达到极值41.04%；随着辐射量的继续增加，提水流量相应增加，但提水效率呈下降趋势。

图7 450 W光伏提水机组输出特性测试Fig.7 Output characteristics test of 450 W PV water lifting unit

（2）450 kW 光伏提水人畜饮水日提水量测试。试验点7月份太阳辐射量为704.18 W/m2，日提水量为26.48 m3，光伏提水机组全月总提水量可达820 m3（见图8）。试验点8月份太阳辐射量为668.36 W/m2，日提水量为24.58 m3（见图9），光伏提水机组全月总提水量可达761.98 m3。试验点12月份太阳辐射量为549.18 W/m2，日提水量为20.15 m3，光伏提水机组全月总提水量可达604 m3（见图10）。试验点在7、8月的日提水量最高，12月日提水量最低，但日提水量均在20 m3以上，说明满足人畜饮水的要求。

图8 太阳辐射量、流量日变化曲线（7月）Fig.8 Daily variation curve of solar radiation and flux in July

图9 太阳辐射量、流量日变化曲线（8月）Fig.9 Daily variation curve of solar radiation and flux in August

图10 太阳辐射量、流量日变化曲线（12月）Fig.10 Daily variation curve of solar radiation and flux in December

3.2.3 太阳能蓄电池提水设备试验及效果分析

太阳能蓄电池提水设备试验点位于青海省果洛州达日县夏曲村，受益范围包括周边2 户牧民，主要解决2 户牧民的生产生活用水，和牦牛230 余只的饮水问题，日需水量15 t。水源井深40 m，水泵扬程46 m，光伏阵列采用对光旋转运行方式，根据当地太阳能资源，其满负荷小时数为5 h，供水流量为3 m3/h。根据计算，光伏阵列安装容量为800 W，水泵功率1.1 kW。

太阳能蓄电池供水主要适用于各种深度的水源井，水量越大，水源井越深，需要蓄电池容量越大，造价越高。主要缺点是蓄电池更换频率高，成本大，废旧电池处理对环境影响较大，利用于较深水源井时成本高，经济效益低，管理维护要求较高。主要优点为提水设备在光线不充足时或夜间也能使用，用水方便程度较高。

太阳能蓄电池供水机组输出特性较稳定，只要蓄电池电力充足，就可以满足用水需求。野外试验应用过程中，设备实现了连续三天阴天，蓄电池保证供水需求。

3.2.4 供水保证率计算

全年最大需水日供水保证率计算：