可移动式光伏提水灌溉系统设计——以湘潭为例

刘阳京，钟 永，刘偲艳

（湖南理工职业技术学院光伏发电系统控制与优化湖南省工程实验室，湖南湘潭 411104）

近几年来，受厄尔尼诺现象的影响，我国高温少雨天气持续时间越来越长，极大影响当地农作物的生长发育，2022 年我国因干旱灾害造成直接经济损失210 亿元。湖南湘潭是我国重要的粮食生产基地，主要生产粮食作物是水稻，据相关部门2022 年9 月份统计数据，2021 年极端的高温干旱气候造成该市至少24 600 余亩（1 亩约等于667 m2）水稻田受灾，仅湘潭县一个县，因灾造成农业直接经济损失约4 700 万元。

湘潭地区稻田灌溉一般采用交流电灌溉，部分农田附近无输电线路，有时抽水灌溉需要自行安装电表，并需接数百米长的电线，而电线长期经过户外风吹日晒雨淋，容易表皮破损，存在一定的安全隐患。若架设电网，则成本高。我国高温干旱期一般都在夏季，而夏季太阳能资源最好，相对于柴油机抽水，光伏灌溉经济效益高、技术优势明显[1]。现在国内已有的光伏提水灌溉设备一般靠近灌溉水源，以固定安装形式建造，但水稻田所需灌溉时间段为每年3—10 月，其他月份基本不需要灌溉，且光伏提水灌溉系统在高温干旱天气下工作强度较大，而平时工作时间较短，长时间将光伏提水灌溉系统放置于户外，易造成能源浪费；同时在干旱需水灌溉季节，固定安装形式的光伏提水灌溉系统无法灵活救急灌溉其他地段农田，造成灌溉成本增加。综合以上原因，该文研究设计一种移动式光伏提水灌溉系统，在需要灌溉时使用，不需要时，可以放置在村委会空旷处，白天储电，夜晚可为村委会照明系统供电。该系统以湘潭市湘乡翻江镇洪门村为试验示范，期望能够在湖南省内推广使用。

1 项目地地理信息及气象资源

该系统主要用于双季水稻田灌溉。项目试验示范地地理位置为北纬27.838 58°，东经112.191 718°，海拔50 m。

该地气象资源通过meteonorm 软件获得，太阳能资源数据信息来源于1991—2010 年，温度数据信息来源为2000—2009 年。各月各项气象数据详细值如图1 所示。该图体现了湘潭地区水平面总辐射量（Gh）、水平面散射辐射量（Dh），法向直接辐射量（Bn）、平均最高气温（Ta）、最低温度（Td）和风速（FF）数据。

图1 项目地每月气象资源信息

经过现场勘察调研，该村的水稻田区域旁有一条小河，河水清澈，干旱季节水源不会干涸，有充沛水量，因此可确定该系统水源为河水。旱季水源最低水位至水田垂直高度为5 m，水源距离水田最近点水平距离为10 m，水田附近无大面积空旷场地和蓄水池。

2 功能需求

经过与村委会交流，要求该系统可用于每年3—10月灌溉时间段，阴天及夜晚也要能够抽水灌溉，能够满足连续2 个阴天灌溉需求，单个系统每日抽水量夏季最大为40 m3。为提高系统场地适用多样性，整体系统需采用移动式结构设计，建设地不修建蓄水池。

3 组成设计

根据SL 540—2011《光伏提水工程技术规范》描述，光伏提水工程由光伏组件、支架、基础、蓄电池组（如有）、控制系统、光伏提水专用水泵、取水建筑物、输水管线、蓄水池（如有）、用水终端和安全防护网等组成[2]。因该系统的可移动式属性，结合考虑整体系统成本，根据该项目前期功能需求，该系统由光伏阵列、移动式支架、蓄电池组、控制系统、光伏水泵和输水管线组成。该系统最终电气组成如图2 所示。

图2 光伏提水灌溉系统电气组成

4 电气组成选型设计

4.1 光伏水泵选型设计

4.1.1 光伏水泵类型的确定

光伏水泵包括电机和水泵2 部分[3]。水泵电机按照驱动电流可以分为交流水泵电机和直流水泵电机。交流水泵电机需要光伏组件经过逆变之后才能驱动，在系统组成上需增加逆变器部件，会降低系统整体效率，因此该系统选用直流水泵电机。直流水泵电机按结构和工作原理又分为无刷和有刷直流电机2 种类型[4]，无刷直流水泵电机较有刷电机，其使用寿命长，广泛应用于当前光伏水泵行业，最终确定该系统的水泵电机为无刷直流电机。

水泵按照工作原理，主要分为离心泵和容积泵2种[5]。离心泵靠离心力工作，结构简单，噪声低，效率较高，相较容积泵体积小和重量轻，维护方便，价格便宜。离心泵又包含自吸泵、潜水泵等种类，自吸泵一般安装于水面以上，占用面积大，第一次使用需要充水启动，操作较复杂；潜水泵一般安装于水面之下，安装面积较小，体积小重量轻的潜水泵移动方便，便于携带，适用于该项目所需的移动式设计。容积泵价格较贵，噪声大，适用于高扬程、小流量场合，高山峡谷地带更适合选择该类型水泵。该项目适用地旱季水源最低水位至水田垂直高度为5 m，扬程小，水源为地表河水，所以选择离心泵中的潜水泵更加适合。潜水泵一般情况下电机和水泵集成，该项目选择光伏水泵的类型为无刷直流潜水泵。

4.1.2 光伏水泵参数的选择

光伏水泵的选型参数主要考虑流量、扬程、功率3个方面[6]。

1）流量。水泵的流量根据用户需求和考虑建设地太阳能资源来确定。根据流量计算公式可以获得该系统的最大流量。计算公式如下

式中：Q为流量，m3/h；Qr为日灌溉需水量，m3；t峰值日照为平均峰值日照小时数，h；η 为系统效率。

夏季太阳能资源好，蒸发量高，水稻田需水量大，夏季日灌溉量达到最大，按照要求需水量需达到40 m3，利用meteonorm 软件获得该地月平均峰值日照小时数，具体如图3 所示，从图中可以看出，7 月份平均峰值日照小时数最大，为5.23 h。

图3 湘潭日均峰值日照时数统计图

因为该系统使用了蓄电池，系统效率较无蓄电池系统会有所降低，所以系统效率此处选择0.72，计算得出该系统光伏水泵流量为10.63 m3/h。

2）扬程。光伏水泵的扬程指的是光伏水泵能够扬水的高度，用H表示，根据项目需求不同，其扬程要求也不同。该系统具体计算公式参照SL 540-2011《光伏提水工程技术规范》规范，具体公式见式（2）和式（3）。

式中：H1为水泵出水口处水位到管道输出口水位的垂直高差，m；△H1为沿程水头损失，m；△H2为局部水头损失，m；Q为管段计算流量，m3/h；d为管内径，mm；L为计算管段长度，m；f，m，b为系数，具体值参考SL 540—2011《光伏提水工程技术规范》规范4.6.2 要求。水泵出水口管材选用PVC 软管，管内径大于8 mm，可以确定f、m、b系数值分别为0.505，1.75 和4.75。

因该系统仅将出水管道直接接入稻田中灌溉，无多余三通、弯头等，因此局部水头损失此处按照最低损失率5%计算。管道长度根据现场情况，考虑预留量，设定最长50 m，垂直距离现场勘察为5 m，则该系统光伏水泵的扬程为5+2.6+0.12=7.72 m，考虑一定的余量，该项目扬程可以设定为10 m。

3）功率。根据SL 540—2011《光伏提水工程技术规范》规范给出的公式，将公式合并后，光伏水泵的峰值功率计算公式见式（4）。

式中：Npf为光伏水泵峰值功率，W；ρ 为水密度，kg/m3，该值为103kg/m3；g为重力加速度，m/s2，该值为9.8 m/s2；Qmax为光伏水泵峰值流量，m3/h;H为光伏水泵系统总扬程，m，该项目计算值为10 m；k1为流量修正系数，该项目选定水泵流量大于10，该值取为0.85；k2为光伏水泵类型修正系数，水泵选型为离心泵，取0.85；k3为电力传动形式修正系数，该系统为直流系统，取0.80。将各数值代入计算，得出参考光伏水泵峰值功率为501 W。

综合流量、扬程、功率计算结果，最终选择台州韵德制泵公司的24 V、500 W、直径50 mm 的光伏直流无刷智能潜水泵，该水泵具体参数见表1。

表1 选用光伏水泵具体参数

4.2 光伏阵列选型设计

4.2.1 光伏阵列装机容量确定

光伏阵列装机容量跟使用地的太阳能资源及支架的安装方式有关[7]。项目光伏支架采用手动调节支架角度的方式来获得更多的太阳能资源，发出更多的电，以相对较小容量匹配选定光伏水泵功率。计算公式见式（5）。

式中：N为光伏阵列的装机容量，W；Npf为光伏水泵峰值功率，W；k4为太阳能资源修正系数，项目地太阳能资源年总太阳能辐射量为1 122 kWh/m2，该值定为0.6；k5为光伏阵列跟踪太阳修正系数，该项目采用手动调节支架角度以求获得最大辐照量，等同于单轴跟踪，该值定为单轴跟踪系数的最小值1.1。经过计算，匹配选定光伏水泵的光伏阵列装机容量为1 100 W。

4.2.2 光伏组件选型设计

当今主流光伏组件选用的材料为单晶硅，主流功率为550 W 以上，尺寸大概为2 279 mm×1 134 mm×35 mm（不同厂家有所区别）。若使用大尺寸的光伏组件，则单个光伏组件重量重，面积大，不便于携带。根据该系统的可移动式特性，光伏组件选型时，尽量选择高效、尺寸小、轻便的光伏组件。通过对比，最终确定该系统光伏组件选型为晶科JKM370N-6TL3-B N 型单晶硅光伏组件，光伏组件的效率为21.24%，最大系统电压为1 000 V，其他详细参数见表2。根据光伏阵列功率要求，则最终确定选择3 块该类型光伏组件，光伏阵列容量为1 110 W，因光伏水泵工作电压为24 V，为获得较大的电流给蓄电池组充电，因此3 块光伏组件的连接方式确定为3 块并联，电压和电流都能满足系统要求。

表2 选用光伏组件具体参数

4.2.3 光伏阵列角度设计

光伏阵列通过光伏支架支撑，其倾角即为支架的倾角，光伏阵列的方位角确定为正南方向，即0°，该方位太阳能辐照度最大。因该系统设计为移动式结构，一年夏季和冬季可调节2 次支架角度为最佳倾斜角来获得系统最大发电量。根据PVSYST 模拟，该地不同季节最佳倾角见表3 和表4，从表中选择最高辐射量对应的倾斜角度，为让占地面积较小，选择同一辐射量对应的角度范围里最大的角度，确定夏季光伏阵列最佳倾角为8°，冬季光伏阵列最佳倾角为37°。

表3 夏季（4—9 月）对应最佳倾角信息表

表4 冬季（10 月—次年3 月）对应最佳倾角信息表

4.3 蓄电池组选型设计

在阴天情况下，光伏组件基本上不发电，该套系统的电力来源基本上全部来自于蓄电池。根据要求，该系统需要满足连续2 个阴天灌溉需求。根据前期计算，满足日最大灌溉量40 m3的选定，光伏水泵流量为12 m3/h，蓄电池作为稳定电源，满负荷工作时长为3.34 h 即可满足要求灌溉量。蓄电池组的工作电压为光伏水泵工作电压24 V，蓄电池组的容量根据公式（6）计算得出。

式中：C为蓄电池组容量，Ah；Npf为光伏水泵峰值功率，W；t工作时间为光伏水泵每日工作时间，h；t连续阴天数为要求能够使用连续阴天数，d；V蓄电池组为蓄电池组工作电压，V；η放电深度为蓄电池允许放电最大深度。

蓄电池类型从经济和使用寿命角度考虑，选择太阳能专用胶体电池。该类蓄电池工作环境温度范围宽，浮充设计寿命长，价格较锂电池便宜。因该蓄电池支持深度放电，所以放电深度选择0.8，经过计算，适合该系统的蓄电池组容量为174 Ah。光伏水泵的直流工作电压为24 V，选择单体12 V/90 Ah 的太阳能胶体电池，单个太阳能胶体电池的长、宽、高尺寸为328 mm×172 mm×235 mm，则蓄电池组由4 块该型号蓄电池2 串2 并即可，最终确定蓄电池组的电压为24 V，容量为180 Ah。

4.4 光伏控制器选型

该光伏灌溉提水系统通过光伏控制器可以实现任何时刻蓄电池给光伏水泵提供稳定的电源；而蓄电池白天通过光伏阵列对其充电。为使该系统光伏阵列发电量最大，控制器还需要具备MPPT 功能，并具有保护蓄电池的作用。光伏水泵的工作电压为24V，因此可以确定该系统光伏控制器的工作电压也为24 V，为便于该系统应用于多种场合，能控制多种电压等级的光伏直流水泵，在此选择多类别电压等级的光伏控制器。该系统光伏水泵满负荷工作时，其工作电流为20.84A，因此该控制器的额定放电电流必须要大于20 A；光伏阵列白天给蓄电池组充电，3 块光伏组件以并联的形式连接，其工作电流为31.86A。

根据电压和电流要求，该系统光伏控制器选择JRF-M4096Z 型号光伏控制器，该光伏控制器MPPT 功率跟踪效果可以达到99.5%，具有短路、温度、过压、过流、过充、过放、防反和过载等功能，其他参数详见表5。

表5 选用光伏控制器具体参数

4.5 移动结构件设计

为使用便捷，将整个系统设备集成在一个移动结构件上，该移动结构件一方面起到移动运输各组成的作用，同时光伏阵列的支架也集成在该构件上，通过每年调节2 次支架倾斜角度以获得采光面最大的太阳能辐射量。因系统各组成部分有一定的重量，占用一定的体积，所以设计该移动结构件为框架式结构，并具有调节支架功能。光伏组件倾角调节通过伸缩式光伏支架来实现，中部和后端的立柱采用伸缩式支架结构，一年调节2 次。3 块光伏组件之间通过合页来进行连接，平时不用时，两侧的光伏组件放在两侧；使用时，到目的地后，再展开两侧光伏组件。

整个系统三维效果图如图4 所示。

图4 可移动式光伏灌溉系统三维效果图

5 结束语

该移动式光伏提水灌溉系统具有集中、便携、可扩展性，能够很好地解决现有部分水稻田无输电线路取电，灌溉困难且用电不安全问题；同时也能方便移动，灵活应用于多地灌溉；每年10 月到第二年的3 月之间，可统一移动到空旷处，接入国家电网售电或为村照明系统服务，最大限度地利用太阳能，节约能源。单套系统每天可灌溉抽水40 m3，在湘潭地区，旱季能救急灌溉50 亩水稻田，解决旱季水稻田缺水造成的减产，保粮增产，助力乡村振兴。