一種光伏揚水系統的配置方法研究

昆明五威科工貿有限公司 ■ 劉寧楊克磊 高曉蘭

一種光伏揚水系統的配置方法研究

昆明五威科工貿有限公司 ■ 劉寧*楊克磊 高曉蘭

提出一種光伏揚水系統的配置方法，構建了一個完整、有效的系統設計流程，分析各項系統參數計算方法，根據參數計算結果即可完成光伏揚水系統的組部件配置。文中對每一設計步驟提出理論數學模型，分析建模原理，并探討數學模型中判別式判別因子的取值和關鍵系數的取值范圍。研究結果與工程實踐對比表明：采用本文提及的方法，能較為準確地計算出光伏揚水系統各重要參數值，避免提水過量、不足或失敗的問題出現。該方法可作為一種切實可行的工程經驗，指導光伏揚水工程的實施。

光伏揚水系統；配置流程；計算方法

0　引言

光伏揚水系統是利用太陽輻射能量轉化為電力并驅動水泵進行抽水的系統。該系統集太陽能光電轉化、電子控制、水泵及給排水等專業學科與技術于一體，相較于傳統的市電揚水系統和燃油供電揚水系統，具有不受建設場地約束、無人值守、一次性投資、無污染、無排放等諸多優勢，當前已作為一項技術成熟的可再生能源利用系統，規?；剡\用到農村居民生活和農業灌溉提水領域。

傳統的光伏揚水系統建設通常采用工程經驗估算的方法確定系統配置，即根據建設地用水需求、揚水高差選擇合適的水泵，再用水泵功率乘以一定的安全系數得到光伏陣列總功率。這種估算方法可簡便地得出光伏揚水系統的各項參數，但往往存在較大誤差，造成系統配置過高，造價高昂；或系統配置不足，冬季因日照資源低而提水量不足。

本文根據多年的光伏揚水系統工程實踐經驗，探討一種光伏揚水系統詳細的理論配置方法。采用判別實施地年均太陽輻射量，以特定月的日均輻射值確定提水流量，列舉計算確定鋪管管徑集合，判別確定最終鋪管管徑，公式法計算有效揚程、水泵功率和光伏組件功率等步驟，構建出系統參數設計流程，根據參數計算結果完成光伏揚水系統的組部件配置。最后，以貴州省貞豐縣某光伏揚水工程為例，驗證本配置方法的可行性及經濟性。

1　構建系統參數設計流程

本文所構建的系統參數設計流程如圖1所示，其基本原理為：

1）首先判別實施地點的太陽能資源等級。要進行太陽能資源的開發利用，實施地的太陽能資源至少應為豐富等級。如果達不到豐富等級，則不宜開展光伏揚水系統的配置設計和建設工作。在滿足太陽能資源等級的條件下，確定系統配置所必需的3個設計輸入參數：日均提水量T、低處取水點與高處蓄水點的垂直高差H和鋪管距離L?？紤]到冬季可利用的太陽能資源低，因此在本配置方法中提出，將上一年排名第9位的月總輻射觀測值Rm折算為日均輻射值，并結合日均提水量T來確定流量Q。

2）在流量Q確定的條件下，進入確定鋪管管路管徑的流程，分兩步進行。第一步，列舉出標準管徑DNi（i=0，1，…，n），判別流量Q與管徑DNi之間的比值是否屬于設計區間［S2，S3］（S2、S3為管徑經濟設計系數），如有符合，則將對應的管徑歸納起來；如均不符合，則適當增加Q的取值，直到求出滿足條件的管徑。第二步，確定最終管徑DN。上一步符合條件的管徑如果只有1個，則最終管徑取該唯一值；如果不少于2個，則最終管徑取其中直徑最大值。

圖1　光伏揚水系統參數設計流程

3）采用公式法計算并確定有效揚程H1。有效揚程H1由水位垂直高差H和管損H2確定，管損H2由管損系數K1、鋪管距離L、流量Q和管徑DN確定。同樣，采用公式法計算并確定水泵功率Pe和光伏組件功率P，其中，水泵功率Pe由水泵功率系數K2、液體密度ρ、流量Q和有效揚程H1確定，光伏組件功率P由光伏系統效率K3和水泵功率Pe確定。

本文所提及的管徑經濟設計系數S2、S3，管損系數K1和光伏組件功率系數K3的取值在后面做專項討論。

根據上述流程所確定的管徑DNi、有效揚程H1、水泵功率Pe和光伏組件功率P等參數，即可配置出光伏揚水系統的組部件。

2　系統建模與分析

2.1太陽能資源等級判別

太陽能資源多寡以太陽總輻射曝輻量度量，它直接反映了太陽能資源的可開發程度。采用太陽總輻射年曝輻量作為分級指標，將太陽能資源劃分為4個等級：極豐富（A）、很豐富（B）、豐富（C）及一般（D）［1］。如表1所示，該判別式為：

表1　總量等級

2.2流量Q的數值模型與分析

光伏揚水系統的實施，首先要根據用水規模確定系統流量Q，流量取值大小直接關系到系統建造成本及最終效果。Q取值過大，則系統成本大幅提高；Q取值過小，則提水量不能滿足需求。由于全年太陽能資源差異較大，需要綜合考量Q取值大小，考慮到冬季日照資源相對匱乏，而光伏揚水系統需全年滿足用戶用水需求，這里采取折中方法，即獲取實施地上一年度的太陽輻射觀測值，將其中排名第9位的月總輻射觀測值Rm折算為日均輻射值，并結合日均提水量T來確定流量Q。該步驟計算關系式為：

式中，T為日均提水量，m3；d為當月天數；E為太陽輻照度，取值為1 kW/m2；Rm為月總輻射觀測值，MJ/m2。

2.3管徑DN的數值模型與分析

光伏揚水系統采用的給排水管路涵蓋市面上的標準管徑尺寸，因系統為無人值守，考慮到使用壽命因素，本文以鍍鋅無縫鋼管作為系統所采用的管路討論。表2為系統常用到的標準管徑尺寸。

表2　鍍鋅鋼管常用尺寸［2］（單位：mm）

如表2所示，將DNi（i=1，2，…，16）代入式（3）：

式中，Q表示流量，m3/h；DNi為表3所示常用鍍鋅鋼管公稱尺寸，m；S2與S3為管徑經濟設計系數，該系數取值在后續討論。

經計算后，如｛DNi｝不為空，取｛DNi｝作為最終管徑DN；如｛DNi｝為空集，則考慮適當犧牲系統經濟性，保證提水量滿足使用需求，適當增加Q的取值，求出適合的DN。

2.4有效揚程H1的數值模型與分析

有效揚程H1是水泵選型的關鍵參數，其數值的準確性直接影響后續水泵的功率選型和設計，并最終影響系統的經濟性。該值由實際測量的水位垂直高差H和管損H2確定。

有效揚程H1的數值模型如式（4）、（5）所示：

式中，H為水位垂直高差，m；H2為管損，m；1.1為安全系數；L為實際測量鋪管距離，m；DN為管徑公稱尺寸，m。

2.5水泵功率Pe的數值模型與分析

光伏揚水系統目前常用的水泵有潛水泵、離心泵和柱塞泵，水泵選型需要綜合考慮工作環境、使用特點、效率、功率等因素。水泵功率Pe可由數值模型式（6）得出［3］：

式中，ρ為液體密度，kg/m3；g為重力加速度。

2.6光伏組件功率P的數值模型與分析

光伏揚水系統目前主要采用單、多晶硅光伏組件構建光伏陣列來實現光電轉化。光伏組件功率P可由數值模型式（7）得出：

3　關鍵系數取值分析

3.1S2和S3取值分析

管徑選擇與管道設計流速密切相關，設計流速越小，沿程管損越小，系統功率也隨之減小，但所需管道管徑增大，管道建設成本提高。依據室外排水設計規范，管道經濟流速設計為1.5～3 m/s［4］。管道平均流速v可由式（8）得出［4］：

故S2取值1.18，S3取值2.35。

3.2K1取值分析

管損系數K1模型可由式（9）確定：

式中，λ為沿程阻力系數，其取值參考表3。

3.3K3取值分析

光伏揚水系統中的光伏陣列連同逆變器、控制器等構建出一個獨立的發電系統，其光伏陣列最終功率大小取決于系統的整體效率。系統的總效率由光伏陣列效率、逆變器效率和水泵電機效率等組成。

1）光伏組件匹配損耗系數指光伏組件在組合成方陣的過程中，由于組件失配而引起的損耗。系統中選用的光伏組件要求失配率小、一致性好，同時在組件配置時要求進行組件電壓、電流失配控制，電壓失配控制值為±2％，電流失配控制值為±1％，功率失配控制值為±1％。因此，光伏組件匹配損耗系數取值為3％。

2）光伏組件表面灰塵等污染折減?；覊m、積垢等污染太陽電池表層，從而使發電量下降。太陽電池污染折減取2％，太陽電池污染折減系數取98％。

3）不可利用的太陽輻射損失。考慮日出和日落時太陽輻射強度較小，低于逆變器直流輸入電壓下限的損失情況，將光伏發電系統的可利用率定為98％。

4）溫度損耗折減。一般光伏組件適應的溫度范圍為-40～80 ℃，其發電受環境溫度影響，光伏組件方陣的運行效率有所下降。綜上考慮，光伏發電系統溫度影響折減按4％考慮，溫度損耗折減修正系數取98％。

5）直流側電纜線損，折減系數取 97％。

6）逆變器轉換效率折減。考慮逆變器廠家對逆變器轉換效率的保證，折減系數取97％。

7）交流側線損，折減系數取97％。

8）其他損失折減。光伏發電系統檢修及故障，將常規檢修安排在日射量小的月份。根據光伏發電系統的制造水平和實際條件，擬定光伏發電系統的可利用率為 99％。

綜上所述，在未考慮系統設備元器件老化導致的效率衰減情況下，系統總效率為66％～74％。故K3建議取值范圍為1.35～1.52。

表3　不同管徑管道（鍍鋅鋼管）沿程阻力系數表

4　工程實踐分析

根據以上配置方法，我們進行了多個工程項目實踐測試。以2014年貴州省貞豐縣某光伏揚水工程為例，該項目為該縣新建工業園區提供生產、生活用水，日均用水量需求T=250 m3，蓄水池與取水點最大高差H=88 m，鋪管距離L=1500 m。

表4　貴州省貞豐縣日均太陽能輻射量

貞豐全年太陽能輻射量（22年平均值）為1361.57 kWh/m2，屬于太陽能資源豐富區域。太陽能輻射值排名第9的月份為10月份，取該月觀測值Rm=91.14 kWh/m2，根據式（2）計算系統流量Q=84.79 m3/h，DN=max｛DNi|由式（5）計算得到沿程管損H2=79.46 m，有效揚程H1=H+1.1H2=175.7m。選用南方泵業SJ系列潛水泵，K2=0.8，K3=50.69 kW，由式（6）和式（7）計算得到光伏板功率P=K3Pe=70.96 kW。系統最終配置見表5。

表5　光伏揚水系統配置表

系統設計時，控制器集成GPRS模塊可遠程采集流量數據，圖2為該套光伏揚水系統1年來的日提水量情況。

圖2　系統提水量

分析全年提水量數據可得出，該光伏揚水系統全年內共有46天由于陰雨天氣提水量＜250 m3，占全年的12.6％，其中，最長連續天數為3天，冬季日均提水量為273.79 m3。工程實施時，通過建造400 m3蓄水池提高需水量，在有效節約建造成本的前提下最大程度滿足居民用水需求?？梢姴捎蒙鲜雠渲梅椒ǎ蓪夥鼡P水系統配置參數進行較為準確的計算，保證系統高效、可靠運行，同時有利于系統建造的成本控制。

5　結論

本文所提出的研究結果，可以規避傳統經驗估算法中存在的人為主觀因素影響大、隨意性強、不利于系統的性能配置和成本控制等缺點，為光伏揚水技術的工程化應用提供全面、詳盡且切實可行的理論依據和參考。

［1］ GB/T 31155-2014， 太陽能資源等級總輻射國家標準（2014版）［S］.

［2］ SL540-2011， 光伏提水工程技術規范（2011年版）［S］.

［3］ GB/T 1047-2005， 管道元件 DN（公稱尺寸）的定義和選用（2005年版）［S］.

［4］ GB 50014-2006， 室外排水設計規范（2014年版）［S］.

2015-09-01

劉寧（1980—），男，高級工程師，主要從事海洋工程裝備及新能源利用方面的研究。huamingning@126.com