光伏發(fā)電系統(tǒng)在泵站工程中的應(yīng)用

李天星

摘? 要：溝道土地是陜北黃土丘陵溝壑區(qū)重要的土地資源，近年來，延安地區(qū)實(shí)施的治溝造地重大工程，既增加了耕地面積，也提升了耕地質(zhì)量。在延安市安塞區(qū)治溝造地項(xiàng)目灌溉工程設(shè)計(jì)中，部分項(xiàng)目區(qū)因水源位置較低，無自流引水條件，設(shè)計(jì)采用泵站提水。通過應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)為泵站工程提供動(dòng)力電源，既解決了泵站系統(tǒng)的用電問題、提升了工程投資效益，又踐行了節(jié)能降耗環(huán)保的現(xiàn)代工程理念，具有良好的示范效應(yīng)及推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：治溝造地? 安塞? 泵站工程? 光伏發(fā)電

中圖分類號(hào)：S274.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）10（c）-0003-04

Abstract： Gully land is one of the most important types of land degradation in the hilly-gully region of northern Shaanxi Province. As the projects of Gully Land Consolidation have been largely implemented in recent years， it contributes to not only increase in agrarian areas， but also improvement of farmland quality. In design of irrigation project of newly-increased cultivated land through gully land consolidation in Ansai， a part of project area have no condition of artesian water diversion for taking irrigation water， pumping stations should be adopted for taking water. In this case， the power supply of pump station engineering is entirely using photovoltaic generation system， thus improving investment returns and practicing modern engineering concept， which is energy saving and environment protection， and has good demonstration effect as well as great popularization and application value.

Key Words： Gully land consolidation; Ansai; Pump station engineering; Photovoltaic power generation system

治溝造地是針對(duì)延安市黃土高原丘陵溝壑區(qū)特殊的地形地貌特點(diǎn)，以生物治理和工程治理相結(jié)合進(jìn)行的溝道綜合治理，是黨中央支持的一項(xiàng)黃土高原生態(tài)治理重大方針。項(xiàng)目輻射延安各縣區(qū)，建設(shè)規(guī)模達(dá)55萬余畝。項(xiàng)目的實(shí)施為解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展瓶頸，夯實(shí)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)開辟了新天地[1-3]。延安治溝造地部分項(xiàng)目區(qū)臨近天然河道或地下潛水豐富，可適當(dāng)建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)的水澆地或水田，發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，提升當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展水平，同時(shí)提升水資源利用效率。灌溉工程的動(dòng)力一般由電力提供，常見的電力能源主要有煤碳、核能、水能、風(fēng)能、太陽能等，在我國，目前電力資源仍然以煤炭發(fā)電為主，是一種高碳、粗放型的資源開發(fā)利用形式，易造成不可再生資源枯竭、生態(tài)環(huán)境及生活環(huán)境的破壞，不符合以人為本、全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展要求[4-5]。所以如何在工程建設(shè)中積極引入新能源，踐行節(jié)能降耗環(huán)保的現(xiàn)代工程理念，減少對(duì)煤炭等不可再生資源的過度依賴，是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流的選擇。

在水能、風(fēng)能、地?zé)崮艿缺姸嗫稍偕Y源中，太陽能是一種應(yīng)用范圍較廣、開發(fā)技術(shù)難度較低的可再生能源，按照年平均估算，太陽輻射可為地球表面帶來130萬億t煤的能量[4]。光伏發(fā)電是對(duì)光能進(jìn)行開發(fā)利用的技術(shù)形式之一，因其使用過程中具有清潔安全、擴(kuò)展靈活、管護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，在我國新能源發(fā)展戰(zhàn)略中占有重要地位，并已在市場(chǎng)上得到廣泛關(guān)注，分布式光伏也由爆發(fā)式增長進(jìn)入提質(zhì)增效階段[5]。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[6-8]，光伏發(fā)電系統(tǒng)目前已在市政、軌道交通、住宅建筑、水處理、農(nóng)村安全飲水等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

由于治溝造地項(xiàng)目的工程建設(shè)地點(diǎn)一般距離城鎮(zhèn)、村落較遠(yuǎn)，采用電網(wǎng)的輸配電工程因涉及電力增容費(fèi)、線路架設(shè)、配電裝置等費(fèi)用，往往導(dǎo)致工程施工難度增大、投資增加，且不便于后期管理維護(hù)。在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，在我國實(shí)現(xiàn)以人為本、全面協(xié)調(diào)可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展理念的指引下，通過引入新能源進(jìn)行工程建設(shè)的意義顯得尤為重要。

延安市治溝造地項(xiàng)目實(shí)施以來，安塞區(qū)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，在某項(xiàng)目的灌溉工程中，首次全部采用光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)泵站進(jìn)行供電。本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理及其在治溝造地項(xiàng)目中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以期對(duì)類似工程建設(shè)規(guī)劃提供借鑒。

1? 工程背景

項(xiàng)目區(qū)位于安塞區(qū)西南約45km，該區(qū)屬中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，多年平均降水量505.3mm，降水在年內(nèi)分配不均，當(dāng)?shù)匮雌谝话銥?～9月，降水量占到全年的70%以上。項(xiàng)目區(qū)田塊為溝道壩地，分布在河道兩岸。項(xiàng)目區(qū)大棚蔬菜已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，但由于近年來地表水匱乏，現(xiàn)有灌溉設(shè)施年久失修、功能退化，制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的高效可持續(xù)發(fā)展。

泵站工程建設(shè)地點(diǎn)位于項(xiàng)目區(qū)河道沿岸，由于田塊高于項(xiàng)目區(qū)水源位置，設(shè)計(jì)在杏子河規(guī)劃修筑大口機(jī)井，河床滲水自流引入機(jī)井，再由泵站抽水至高位調(diào)蓄池，然后通過下水管網(wǎng)輸配至各控制田塊，接入農(nóng)戶大棚管網(wǎng)，農(nóng)戶通過管網(wǎng)末端控制閘閥自流灌溉。

2? 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)泵站負(fù)載，結(jié)合當(dāng)?shù)厝照铡⒌匦蔚葪l件，科學(xué)布設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。項(xiàng)目所在地年日照時(shí)數(shù)為2395.6h/a，日照百分率達(dá)54%，參考相關(guān)文獻(xiàn)[7]，其太陽能資源屬可利用區(qū)，適宜建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理介紹

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽能板（電池組）、控制器、逆變器及蓄電池組組成。

太陽能板（電池組）是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，太陽能板接收太陽輻射發(fā)生光電效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，再通過外接電路即可形成電流。

控制器主要用于用電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，為用電設(shè)備分配電能，并使系統(tǒng)電能保持一個(gè)最優(yōu)化的輸出。

逆變器用于將從光伏電池組件或蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電，滿足絕大多數(shù)電氣設(shè)備。

蓄電池作為儲(chǔ)能部分，當(dāng)光伏電池所發(fā)電量大于負(fù)載需求時(shí)，蓄電池組儲(chǔ)存電能。反之，蓄電池釋放電能以維持負(fù)載正常運(yùn)行。

考慮到工程成本、場(chǎng)地條件且不影響系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，本工程采用冗余設(shè)計(jì)，在滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下，合理增加太陽能電池組數(shù)量，因此未采用蓄電池。

2.2 設(shè)計(jì)原則

2.2.1 安全可靠性

采用原廠配套零部件及各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)合格的正規(guī)產(chǎn)品，并按照動(dòng)力電標(biāo)準(zhǔn)，做了防漏電、防雷擊等系統(tǒng)防護(hù)。在滿足正常負(fù)載需求基礎(chǔ)上，進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。

2.2.2 實(shí)用性

充分融合當(dāng)?shù)毓喔刃枨螅罕娔艹浞窒硎艿娇萍计占皫淼膶?shí)惠和效益，且便于后期管理維護(hù)。

2.2.3 可擴(kuò)充靈活性

采用模板化設(shè)計(jì)，可根據(jù)負(fù)載變化靈活調(diào)整系統(tǒng)發(fā)電量。

2.2.4 宣傳示范性

以治溝造地項(xiàng)目為載體，通過引入光伏系統(tǒng)，直觀展示綠色新能源的工程效果，此舉既與政府提倡的節(jié)能環(huán)保理念相統(tǒng)一，與企業(yè)降本增效的目的相一致，又契合當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的利益需求。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以其中1座光伏系統(tǒng)為例，泵站裝機(jī)容量為5.5kW，采用ASP250-20/Wd太陽能電池板22塊，規(guī)則的排布在泵房南側(cè)，經(jīng)過技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算，傾角接近38°，方向朝南。根據(jù)泵站裝機(jī)容量選擇5.5kW揚(yáng)水逆變器1臺(tái)。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)主要由混凝土基礎(chǔ)、鍍鋅鋼構(gòu)、光伏組件等組成。鋼結(jié)構(gòu)支撐框架支撐在地面混凝土基礎(chǔ)上，對(duì)支架結(jié)構(gòu)牢度的基本風(fēng)壓及雪壓依據(jù)《GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再安裝光伏組件。

2.5 電氣設(shè)計(jì)

以一座光伏系統(tǒng)泵站為例，其主要由太陽能電池組、控制器、逆變器及水泵組成。

2.5.1 主電路設(shè)計(jì)

共用22塊250W太陽能電池組件，16串1并，分成1條支路接入5.5kW揚(yáng)水逆變器的兩個(gè)預(yù)留端口，逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為380V的交流電。

2.5.2 防雷接地設(shè)計(jì)

根據(jù)《GB50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，光伏發(fā)電站按照第三類防雷建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)。所有地面支架均采用等電位多點(diǎn)接地方式，且接地電阻應(yīng)≤10Ω，來防護(hù)直擊雷。為了防止感應(yīng)雷和雷電流對(duì)系統(tǒng)設(shè)備和線路造成的損壞，通過在光伏主要設(shè)備內(nèi)安裝防雷模塊，并且可靠接地來保證光伏設(shè)備和線路的安全。逆變器的防雷措施主要是在逆變器內(nèi)安裝防雷模塊，并且設(shè)備外殼與防雷器均可靠接地，接地電阻≤4Ω。

2.5.3 水泵

光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電能力直接受太陽輻射強(qiáng)度的影響，采用光伏系統(tǒng)供電的水泵，其最高效率應(yīng)是針對(duì)某一地區(qū)的時(shí)間、氣候等因素下的平均效率，而不是通常水泵設(shè)計(jì)中所要求的設(shè)計(jì)點(diǎn)、工況點(diǎn)的最高效率[9]。根據(jù)灌溉需求，本設(shè)計(jì)選用的水泵型號(hào)為200QJ32-54/4。

3? 光伏發(fā)電系統(tǒng)在治溝造地項(xiàng)目灌溉工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 光照條件較好

治溝造地項(xiàng)目多與城鎮(zhèn)、村落等距離較遠(yuǎn)，周邊建筑物稀少，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)遮擋較少，因此具有較好的光照條件。

3.2 負(fù)荷特性穩(wěn)定

治溝造地項(xiàng)目泵站工程的負(fù)荷特性穩(wěn)定，一般主要滿足水泵用電。負(fù)荷特性是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，穩(wěn)定的用電負(fù)載將使光伏系統(tǒng)得到充分發(fā)揮，提高光能的使用效率。

3.3 提高施工效率，提升工程效益

光伏系統(tǒng)全部為模塊化設(shè)計(jì)，并有廠家專業(yè)人員進(jìn)行組裝調(diào)試，施工難度小，施工效率高。與采用電網(wǎng)的輸配電工程相比，在電力增容費(fèi)、線路架設(shè)、配電裝置等的投資成本明顯下降。

3.4 符合農(nóng)戶利益需求

采用電網(wǎng)供電灌溉，農(nóng)戶需繳納相應(yīng)的電費(fèi)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)全部采用光伏系統(tǒng)提供電力，農(nóng)戶灌溉不再產(chǎn)生電力費(fèi)用，而且該項(xiàng)目水源全部為河道潛水，即也不需繳納水費(fèi)，農(nóng)戶灌溉積極性得到提升，農(nóng)戶利益得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

3.5 管理維護(hù)成本低

光伏系統(tǒng)建成后，其運(yùn)營成本主要在電氣連接的日常檢測(cè)、光伏組件的清洗以及對(duì)部分失效部件的更換等簡(jiǎn)單操作，與采用電網(wǎng)供電相比，成本相對(duì)較低。

3.6 符合陜北設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展需要

由于設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)光照等的要求，陜北地區(qū)設(shè)施大棚大多建在地勢(shì)較高的梯田地，而水源一般位于相對(duì)低處，就需要提水灌溉，電能則是灌溉設(shè)施發(fā)揮作用的關(guān)鍵。通過與太陽能、風(fēng)能等新能源融合，逐步替代煤炭發(fā)電等不可再生能源，對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

4? 結(jié)語

中國目前已成為世界利用新能源和可再生能源第一大國。治溝造地作為國家重大土地整治項(xiàng)目，有利于集中連片機(jī)械化耕作，發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。通過在工程建設(shè)中引入新能源、新技術(shù)，踐行高新、高效、節(jié)能、生態(tài)、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展路徑，對(duì)突出并實(shí)現(xiàn)“治溝保生態(tài)，造地惠民生”的目標(biāo)具有重要意義，也符合當(dāng)前時(shí)代發(fā)展需求。

本文結(jié)合治溝造地項(xiàng)目工程案例，分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)及其在灌溉泵站工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。光伏發(fā)電具有顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，是技術(shù)較為成熟的綠色新動(dòng)能之一，值得類似工程建設(shè)借鑒推廣。

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