太阳能光伏发电在提灌站的环保应用研究

邹 渝1， 刘 旭2， 崔 海 保3

(1.四川水利职业技术学院，四川 成都 611230;2.西昌市水务局，四川 西昌 615000;3.成都锦汇绿源环保技术有限公司,四川 成都 611730)

摘 要：介绍了太阳能光伏发电提灌站工程应用实例。在综合考虑建设成本、运行负荷、地理纬度、气候变化及环境效益等因素后，设计并安装了光伏提灌系统。运行结果表明：太阳能光伏发电的发电量能够满足提灌站的电力供应要求且运行稳定，同时工程未破坏环境，从而为农业提灌的动力供应开辟了新的能源来源，具有广阔的应用前景。

关键词：光伏发电；提灌站；电力供应

1 概 述

太阳能光伏发电在路灯照明等小功率设备上的应用取得了良好成果，但其在功率较大的提灌站应用才刚刚起步。笔者根据凉山州会理县某乡村太阳能光伏提灌站运行结果，认识到光伏发电的电量能够满足提灌站的电力供应要求，绿色节能、符合低碳环保的发展趋势。

四川省会理县某乡村缺水土地面积6 000亩(1 hm2=15亩)，缺水人口为837户、3 186人，其干旱期缺水引起了政府部门的高度重视。

由于缺水地区位置偏远，农村电网接线距离远，提灌站输电架线成本高，而采用柴油发电机抽水污染环境且运行成本高，村民无法承受。

四川省会理县属于亚热带气候，光热资源十分丰富，年均日照2 388 h。经综合比较后认为建设太阳能光伏提灌站具有较好的条件，其能够保证在不产生环境污染、不破坏环境生态的前提下满足提灌站的电量需求。

1893年，法国某科学家发现的“光生伏特效应”，即“光伏效应”揭开了光伏发电的研究史，光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术 [1]。光伏发电系统是由太阳能光伏板方阵、逆变器、交流配电柜、太阳跟踪控制系统等设备组成。从刘惠萍，刘惠雯等[2]的计算数据可以看出：根据用电量需求布置不同规模的光伏板阵列，光伏发电的电量可以满足不同规模的设备用电需求。钱伯章[3]的研究说明：我国的光伏发电成本接近常规发电成本价格，在电能短缺、光照充足的区域，太阳能发电可以广泛地应用在工业、农业生产上。

2 光伏提灌系统设计

2.1 电气连接图

由电气连接图(图1)可以看出：该系统由太阳能电池板、光伏阵列、逆变器、水泵组成。

图1 电气连接图

2.2 主要设备

(1)太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或光化学效应直接或间接转换成电能的装置，根据材料的不同分为晶体太阳能电池、非晶硅太阳能电池以及多元化物太阳能电池。考虑到将其作为给农村水泵供电的动力，在光电转换效率几乎同级别的情况下，节约电耗以及较低的生产成本是其首选，因此，本组件选择SYP240P太阳能多晶组件。SYP240P太阳能多晶组件的性能参数见表1。

十九片组件组成一个阵列，以便于安装与维修，选择离地高度为0.5 m。可以使用韩斐，潘玉良，苏忠贤[4]等的理论计算公式：

表1 SYP240P太阳能多晶组件主要技术参数表

组件功率/W工作电压/V工作电流/A重量/kg尺 寸/mm24030.27.96201640×992×40

=0

(1)

式中 β为年最佳倾角；Qy为倾角为β的太阳能光伏板表面1 a时间内接受的总辐射。

由该乡村的地理纬度、海拔高度得到太阳能光伏板年最佳倾角为28°。鉴于阵列件的距离对电站的输出功率和转换效率非常重要，错误的安装会导致后排的太阳光被前排遮挡。可以使用吴永忠，邹丽珺等[5]的计算公式：

Ls=L·ctgh·cosα

(2)

式中 Ls为影子长度；L为阵列高度；h为太阳高度角。

根据相关数据，优化选择间距为1 m，得到组合光伏阵列总功率为45 600 W。

(2)逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。日照强度和环境温度均会影响光伏阵列的功率输出，因为其必须通过逆变器的调节使光伏阵列的输出电压趋近于最大功率点输出电压[6]，光伏扬水逆变器不但能起到良好的调节作用，而且能够保证水泵的转速不超过额定转速。根据光伏电池阵列以及提灌的水泵电机，本系统选择PB37KH型扬水逆变器。PB37KH型扬水逆变器的性能参数见表2。

表2 PB37KH型扬水逆变器主要技术参数表

电机功率/kW扬程/m流量/m3·h-1直径/mm高度/mm重量/kg管螺纹连接37159504001956352PN25-40/DN80

(3)水泵为输送液体或使液体增压的机械。由于太阳的辐射强度随日、月、阴、晴等气候因素的变化而变化，因此，光伏水泵的最高效率应是针对某一地区的日、月、季、年等因素的平均效率，而不是通常水泵设计中要求的设计点、工况点的最高效率。该乡村的主要水源是溪沟水和地下孔隙水，需要深井泵提水。根据其日供水量以及扬程的需求，本系统原打算选择的是CDL42-90轻型立式多级离心泵。CDL42-90轻型立式多级离心泵的性能参数见表3。

表3 CDL42-90轻型立式多级离心泵主要技术参数表

最大直流输入电压/VMPPT电压/V额定输出电流/A输出频率/Hz重量/kg尺寸/mm750500～600750～5021.1505×430×305

CDL42-90轻型立式多级离心泵的性能曲线见图2。

考虑到容积泵可以保证在发电量不断变化的情况下一直出水，只是水量大小有变化。于是将CDL42-90轻型立式多级离心泵换成CDL42-90轻型立式多级容积泵，性能参数等与CDL42-90轻型立式多级离心泵一致 ，此处不再列出。

3 系统运行情况

3.1 民生效益

仅使用这一套光伏提灌系统，会理县该乡村年发电量达到了8.7万kW·h，替代了柴油发电机和供电管网，该乡村每年有效灌溉时间为6个月(水稻和玉米各3个月)，年新增灌溉用水151 100 m3，解决了800户、约4 000人的安全饮水问题，解决了1 200头大牲畜的饮水问题，解决了1 074亩缺水土地的灌溉问题。

图2 CDL42-90轻型立式多级离心泵性能曲线图

3.2 环境效益

本项目运行环境影响评价显示：光伏系统在运行中没有废气排放，不会对当地环境空气质量产生影响。没有明显的噪声源，基本不会对周围环境敏感目标产生影响；本项目固废产生量小，且固废成分简单，基本为生活垃圾，依照环评措施处理后，对环境影响较小；项目服务寿命达到之后，拆除的废光伏组件均由生产厂家回收，不会对环境产生二次污染影响。

4 结 语

采用太阳能光伏提灌站，无污染、稳定、总成本较低廉，可以利用农村有限的资源获得较大的效益，该系统的供水满足《四川省农业灌溉用水定额》，已成为其他农村地区示范性工程。太阳能光伏提灌站仍有很大的提升空间，且具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 刘瑞兰. 对太阳能光伏发电系统的研究分析[J]. 硅谷,2013,124(4):46-47.

[2] 刘惠萍,刘惠雯. 太阳能光伏发电路灯照明工程设计方法探析[J]. 建筑节能,2009,37(12):45-48.

[3] 钱伯章. 太阳能光伏发电成本及展望[J]. 中国环保产业,2009,130(4):24-28.

[4] 韩 斐,潘玉良,苏忠贤. 固定式太阳能光伏板最佳倾角设计方法研究[J]. 工程设计学报,2009,16(5):348-353.

[5] 吴永忠,邹立珺. 光伏电站太阳能电池阵列间距的计算[J]. 能源工程,2011,141(1):39-40.

[6] 董 密,罗 安. 光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法[J]. 电力系统自动化,2006,30(20):97-102.

[7] 刘厚林,袁寿其,施卫东,袁建平. 光伏水泵系统及其应用前景[J]. 水泵技术,2002,122(2):43-45.

中图分类号:[TK-9]

文献标识码: B

文章编号:1001-2184(2017)04-0101-03

收稿日期:2017-05-10

作者简介:

邹 渝(1979-)，男，四川荣县人，讲师，学士，从事环境工程、新能源应用方面的研究；

刘 旭(1981-)，男，四川西昌人，工程师，从事太阳能光伏发电应用研究；

崔海保(1981-)，男，安徽蚌埠人，工程师，硕士，从事环保、新能源应用研究.

(责任编辑李燕辉)