太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在高原地區(qū)農(nóng)村安全飲水工程中的應(yīng)用

李中校

(云南省迪慶藏族自治州水務(wù)局水利工程建設(shè)管理站, 云南 香格里拉 674499)

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在高原地區(qū)農(nóng)村安全飲水工程中的應(yīng)用

李中校

(云南省迪慶藏族自治州水務(wù)局水利工程建設(shè)管理站, 云南 香格里拉 674499)

在云南高原地區(qū)農(nóng)村安全飲水工程設(shè)計中，部分村社由于所處位置無自流引水、打井取水等條件，工程設(shè)計需采用泵站提水來解決水源水量不足的問題，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過多塊太陽能電池組件串并聯(lián)組成太陽電池陣列，吸收日照輻射能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，為整個系統(tǒng)提供動力電源，解決和補(bǔ)充農(nóng)村安全飲水抽水泵站的用電問題。

太陽能; 光伏發(fā)電; 農(nóng)村安全飲水; 工程; 應(yīng)用

1 前 言

為解決農(nóng)村飲水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、工程性缺水等問題，全面提高農(nóng)村飲水安全保障，2005年起在全國范圍內(nèi)正式實(shí)施農(nóng)村安全飲水工作。通過在云南高原山區(qū)迪慶藏族自治州范圍內(nèi)實(shí)施農(nóng)村安全飲水工程建設(shè)發(fā)現(xiàn)，由于該區(qū)地處青藏高原南延部分，滇、川、藏三省區(qū)交界的橫斷山脈，三江并流自然奇觀標(biāo)志性腹心地帶，地形坡度大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，山高谷深，農(nóng)村人口居住十分分散，人口密度約為11人/km2。部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村社由于居住在半山區(qū)或二半山區(qū)，引水水源較遠(yuǎn)，水質(zhì)、水量不滿足農(nóng)村飲水安全的總體要求，無自流引水、打井取水等條件，存在“人在高出住，水在低處流”的現(xiàn)象，為解決該部分村社農(nóng)村飲水困難問題，通過多種方案比較，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)實(shí)際，在迪慶藏族自治州香格里拉市尼西鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府駐地集鎮(zhèn)供水工程中采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與農(nóng)村電網(wǎng)配合供電，新建二級小型泵站提水至高位蓄水池后，分別向鄉(xiāng)政府駐地與附近村民供水。

2 方案總體設(shè)計

2.1 項(xiàng)目區(qū)概況

尼西鄉(xiāng)位于云南省迪慶香格里拉市西北部，國道214線與香維公路通過鄉(xiāng)境內(nèi)，鄉(xiāng)駐地崩書塘，平均海拔3160.00m，距香格里拉城區(qū)37km。尼西鄉(xiāng)地處二半山區(qū)和干熱河谷地帶，年降水量503mm，無霜期為124d，具有明顯的立體氣候特征。全鄉(xiāng)轄新陽、幸福、湯滿、江東4個村委會，47個村民小組，總?cè)丝?681人，1282戶，藏族人口占98.8%。 全鄉(xiāng)國土面積845km2，其中耕地面積15781畝，林地面積984582畝，牧草地面積35169畝。尼西鄉(xiāng)水資源主要集中在湯滿河和交界河流域，鄉(xiāng)政府駐地及新陽村、湯滿村由于所處位置較高，缺水十分嚴(yán)重，特別是2008年以來由于受全球極端氣候影響，云南省大部分地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)干旱，導(dǎo)致部分地區(qū)天然來水量較少，甚至出現(xiàn)水源枯竭的現(xiàn)象，迪慶州境內(nèi)的干旱少雨區(qū)也出現(xiàn)類似情況，尼西鄉(xiāng)政府駐地及附近村社3400人飲水困難十分突出，區(qū)域水資源短缺已嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳睿瑖?yán)重制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

2.2 設(shè)計方案

為解決尼西鄉(xiāng)政府駐地及附近村社4457人飲水問題，通過區(qū)域水資源分布、利用情況調(diào)查分析，認(rèn)為鄉(xiāng)政府駐地范圍內(nèi)無自流引水的可靠水源，只能考慮采用提水(包括：打井抽水、建泵站提水)及跨流域遠(yuǎn)距離調(diào)水方案。經(jīng)過多方案比較后，初步確定采用泵站提水方案，常規(guī)電力泵站提水工程由于抽水成本較高，增加了當(dāng)?shù)卮迕竦慕?jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，由于尼西鄉(xiāng)屬少數(shù)民族貧困區(qū)，供水區(qū)內(nèi)人民群眾生活十分貧困，當(dāng)?shù)鼐用駥娏μ崴谜咎岢龇磳σ庖姡樗窘ǔ珊螅\(yùn)行成本較高，無法承擔(dān)高昂的水費(fèi)，會造成工程不能正常運(yùn)行，因此，在充分調(diào)查、了解當(dāng)?shù)毓鉄豳Y源及氣候條件的基礎(chǔ)上，綜合分析提出采用太陽能光伏發(fā)電與電網(wǎng)互補(bǔ)的泵站提水方案。

項(xiàng)目所在地處于東經(jīng)99°20′～99°37′，北緯27°57′～28°25′之間，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，年日照時數(shù)為1742.9～2186.6h，太陽輻射118.3～133.7千卡/cm2，對照云南省各地水平面上各月干、濕季及年平均直接輻射量的計算值(見表1)及查閱有關(guān)資料表明：該區(qū)屬云貴高原，空氣清新、稀薄，陽光透性強(qiáng)，終年太陽高度角大，日照時間長，太陽能輻射量大，是太陽能開發(fā)利用的有利地區(qū)[1-3]。

表1 香格里拉水平地面各月太陽總輻射 單位：MJ/m2·月

注 干季為11月—次年4月，濕季為5—10月。

太陽能光伏發(fā)電是利用光生伏打效應(yīng)，使太陽光輻射能轉(zhuǎn)變成電能。太陽能發(fā)電系統(tǒng)可分為兩大類別：?獨(dú)立系統(tǒng)；?系統(tǒng)聯(lián)系系統(tǒng)(或稱為與交流電網(wǎng)聯(lián)系系統(tǒng))。獨(dú)立系統(tǒng)是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最基本形式，又稱為太陽能發(fā)電的原型系統(tǒng)。這種系統(tǒng)多用于遠(yuǎn)離市區(qū)(無人操控)的海上燈塔、浮標(biāo)、山頂?shù)臒o線中繼電臺、無電力網(wǎng)覆蓋等情況，見圖1。圖中，由太陽能電池陣列輸出的直流功率直接供給負(fù)荷。如果負(fù)荷是交流的，則還須將直流電通過逆變器變換為交流電。此外，輸出的直流能量還同時供蓄電池充電。由于負(fù)荷的電壓經(jīng)常會產(chǎn)生波動，故還應(yīng)設(shè)置控制器以調(diào)節(jié)電壓。

圖1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

與電網(wǎng)(系統(tǒng))聯(lián)系系統(tǒng)的構(gòu)造見圖2。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)太陽能電池陣列發(fā)出的電功率超過負(fù)荷需要時，可以通過自動控制輸向交流市電電網(wǎng)，即向電力公司賣出電力(即余電上網(wǎng))。系統(tǒng)聯(lián)系型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)陰雨天氣或夜間太陽能發(fā)電量不足時，可以通過系統(tǒng)聯(lián)系直接向市電電網(wǎng)買電(即下網(wǎng))。系統(tǒng)聯(lián)系系統(tǒng)的另一重要優(yōu)點(diǎn)是可以取消蓄電池，使成本降低，加強(qiáng)供電的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 抽水泵站及配套設(shè)計方案

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)人口規(guī)模調(diào)查及需水量預(yù)測分析，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)實(shí)際確定取水水源為湯滿河，高程2708.00m，提水總揚(yáng)程達(dá)480m，由于提水高度較大故采用二級提水方案，設(shè)計提水量1000m3/d。

一級抽水站位于湯滿河水源點(diǎn)，通過DN150鋼管2464m引至二級抽水站調(diào)節(jié)池，高程2708.00m，抽水站楊程244m，站內(nèi)建設(shè)80m3水池1個，水泵房1座，安裝75kW多級水泵1臺，15kW立式多級水泵1臺，7.5kW潛水泵1臺。

二級抽水站位于香德路鄉(xiāng)政府岔路香格里拉方向約1km處，高程2952.00m，通過DN150鋼管2602m引至鄉(xiāng)政府上方的水廠內(nèi)，抽水站楊程232m，水廠位置高程3184.00m，站內(nèi)建設(shè)80m3水池1個，水泵房1座，安裝75kW多級水泵1臺。

供水水廠位于原鄉(xiāng)政府附近，位置高程3184.00m，場內(nèi)布置管理房、反應(yīng)沉淀池1個，重力式無閥濾池1個，消毒設(shè)施1套，500m3蓄水池1個(與原200m3蓄水池共同使用，蓄水池總?cè)萘繛?00m3)。

配水管網(wǎng)設(shè)計：由于項(xiàng)目區(qū)為高寒山區(qū)，所有管道均埋設(shè)于最大凍土層以下(埋設(shè)深度≥85cm)，布設(shè)PE100-DN110-1.25MPa管道6428m；PE100-DN75-1.25MPa 管道6239m；PE100-DN50-1.25MPa管道1479m；DN110自動排氣閥5套；DN75排沙閥4套。

2.2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案

集鎮(zhèn)連片供水項(xiàng)目需要進(jìn)行不間斷持續(xù)供水，如果單獨(dú)考慮采用太陽能發(fā)電系統(tǒng)，則陰雨天的供水將難以保證，故本項(xiàng)目采用太陽能光伏發(fā)電與電網(wǎng)互補(bǔ)的形式進(jìn)行設(shè)計，即晴天余電上網(wǎng)，陰天從地方電網(wǎng)下網(wǎng)進(jìn)行提水。

根據(jù)抽水站的布置方案，分別在一級抽水站和二級抽水站附近各建設(shè)一座太陽能余電上網(wǎng)發(fā)電站，一級站本期容量為75kW,最終容量為100kW； 二級站本期容量75kW，最終容量100kW。每個發(fā)電站主要由太陽能板、三相逆變器、高壓計量箱、高壓真空斷路器等組成，具體設(shè)備配置情況見表2。

表2 一級、二級站設(shè)備配置情況

附屬工程設(shè)計：?控制室每站1個，共2個，每個4m×3m，采用雙層彩鋼瓦結(jié)構(gòu)，香格里拉市制作，現(xiàn)場安裝，地面為混凝土地坪，鋪設(shè)防靜電地膠；?圍欄每站1個，共2個，四方形布置，每個站圍欄長度160m(50m×30m)，共320m，采用組裝式塑鋼圍欄，工廠定制，現(xiàn)場安裝；?太陽能板支架，采用C型鍍鋅鋼架，每架6塊太陽能板，2架為1組，工廠定制，現(xiàn)場安裝,光伏方陣的傾角按春季最佳來匹配設(shè)計；?工程占地，每級站工程占地為1664m2，項(xiàng)目總占地為3328m2。

3 方案的實(shí)施及效益分析

3.1 方案的實(shí)施

該項(xiàng)目被列入2015年云南省“十二五”規(guī)劃外藏區(qū)新增農(nóng)村安全飲水項(xiàng)目，工程于2015年6月2日正式開工建設(shè)，2015年9月28日完工及機(jī)組調(diào)試并進(jìn)行提水試運(yùn)行，10月1日正式供水。

3.2 效益分析

3.2.1 按傳統(tǒng)抽水泵站設(shè)計時抽水成本分析

抽水成本主要為電費(fèi)成本，抽水站每級初期裝機(jī)容量為75kW，兩級共150kW，抽水時每小時用電150kW·h，抽水50m3，電價按0.45元/(kW·h)計算，電費(fèi)成本為1.35元/m3。

3.2.2 增加太陽能發(fā)電后抽水成本計算

太陽能發(fā)電系統(tǒng)平均每天發(fā)電680kW·h，每年發(fā)電約24.82萬kW·h，按0.45元/(kW·h)計算，每年減少電費(fèi)支出11.17萬元。按國家太陽能上網(wǎng)電價1.00元/(kW·h)計算，每年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益24.82萬元。

泵站設(shè)計抽水量為50m3/h，現(xiàn)階段每天運(yùn)行6h計算，年抽水10.96萬m3； 每小時用電150kW·h，年用電32.85萬kW·h； 扣除太陽能發(fā)電量24.82萬kW·h，需下網(wǎng)電量8.03萬kW·h，按0.45元/(kW·h)計算，需支付電費(fèi)3.62萬元，抽水成本為0.33元/m3；如集鎮(zhèn)需水量增大，每天運(yùn)行12h，年抽水21.92萬m3； 每小時用電150kW·h，年用電54.75萬kW·h； 扣除太陽能發(fā)電量24.82萬kW·h，需下網(wǎng)電量29.93萬kW·h，按0.45元/(kW·h)計算，需支付電費(fèi)13.47萬元，抽水成本為0.62元/m3。從以上計算可以看出，增加太陽能余電上網(wǎng)電站后，抽水成本從1.35元/m3降低至0.33～0.62元/m3。

4 結(jié) 論

a.項(xiàng)目實(shí)施完成后，通過近2個月的試運(yùn)行，經(jīng)現(xiàn)場檢測，提水水量已達(dá)到設(shè)計要求，運(yùn)行正常，完全實(shí)現(xiàn)供水目標(biāo)，尼西鄉(xiāng)政府駐地及附近農(nóng)村居民已喝上了干凈、衛(wèi)生的自來水，緩解了尼西鄉(xiāng)政府駐地及附近農(nóng)村居民的用水困難問題，采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)后可明顯降低抽水成本，減輕當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷呢?fù)擔(dān)。

b.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在農(nóng)村安全飲水項(xiàng)目中成功的應(yīng)用，將擴(kuò)大太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，對類似的農(nóng)村安全飲水項(xiàng)目工程設(shè)計提供參考。同時由于云南省各地的平均年總輻射量主要集中在4500～6000MJ/m2，處于太陽能利用豐富區(qū)[4]，應(yīng)充分認(rèn)識和利用區(qū)域的太陽能資源，進(jìn)一步推動清潔能源的開發(fā)與利用。

[1] 林文賢，高文峰，薄紹選，等.云南省太陽能輻射資源研究——直接輻射[J].云南師范大學(xué)學(xué)報，1995，4(3)：221.

[2] 李卿.農(nóng)村飲水安全工程設(shè)計淺析[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2015(3):70-72.

[3] 王顯，孫亞明.滄州市農(nóng)村飲水安全工程設(shè)計中的問題及對策[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2015(1):76-79.

[4] 王秀民，王備戰(zhàn)，劉持興.菏澤市農(nóng)村飲水安全工程運(yùn)行管理淺析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2015(4):35-37.

Application of solar photovoltaic power generation system in the rural safety drinking water project of plateau area

LI Zhongxiao

(YunnanDiqingTibetanAutonomousPrefectureWaterBureauWaterConservancyProjectConstructionManagementStation,Shangri-la674499,China)

A part of villages have condition of no artesian water diversion, digging well for taking water, etc., pumping stations should be adopted for taking water in order to solve the problem of insufficient water quantity in the water source during the rural safety drinking water project design of Yunnan plateau area. Solar photovoltaic power generation system absorbs sunlight radiation energy through solar cell array composed of many solar cell components by series-parallel combination. The energy is converted into electricity, thereby providing power supply for the whole system. The electricity utilization problem of rural safety drinking water pumping station is solved and supplemented.

solar energy; photovoltaic power generation; rural safety drinking water; engineering; application

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.03.008

TM615

A

1005-4774(2017)03- 0027- 04