太阳能光伏水泵系统在青藏高原的示范与推广

　　摘 要：本文主要阐述了太阳能光伏水泵系统的项目背景，并且着重就系统设计与运行进行了分析，对光伏水泵系统在青藏高原的推广有示范性作用!

　　关键词：光伏水泵,设计,分析

　　前言

　　青藏高原属中国西部的高寒高海拔地区，地广人稀，电力负荷密度低，无电地区面积占有很大比例。青海省无电地区经济发展缓慢，农牧业区主要靠河水及柴油发电机带动水泵解决饮水问题，这些解决饮水的方法一是不健康，二是能耗大。在牧区靠河流引水的牧民长期忍受着河水含沙量大、水质差、冬天河流冰冻取水困难等问题.而使用柴油机水泵饮水的牧民,又碰到了柴油机利用率不高、油耗大、污染环境等问题。采用光伏水泵取水，无污染、不消耗燃料、维护简便、性能可靠。有效的解决青藏高原无电地区缺电、缺水问题。更好的提高牧民的生活水平，节省了能源保护了环境。

　　1、项目背景

　　光伏水泵系统的基本原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。它具有无噪声、全自动、高可靠、供水量与蒸发量适配性好等许多优点。联合国计划开发署、世界银行、亚太经济社会等国际组织都先后充分肯定了它的先进性与合理性。目前在这些国际组织的支持下，全世界已有数万台不同规格的光伏水泵在不同地区和国家运行，特别是在亚、非、拉及中东等发展中国家，已为许多贫困地区的人民带来相当可观的经济效益，加速这些地区的发展步伐。

　　“光伏水泵系统在青藏高原的示范与推广” 项目是采用光伏水泵提水技术解决青海地区人畜饮水的示范项目，是中国和德国以解决偏远地区的基本生活用水为目的、开展保护生态环境、开发和利用新能源、进行资源测试等研究和推广的国际合作项目。本示范项目主要任务是通过在青海偏远农牧区，建造光伏水泵提水系统人畜饮水工程，充分利用地下水资源和利用太阳能资源来解决人畜饮水问题。同时，通过建立可推广的能源经营模式和管理模式，为青海类似地区提供示范。如图1所示，为项目外观图。 图1 光伏水泵项目外观图

　　2、系统设计

　　光伏水泵技术是利用太阳能电池将太阳能直接转换成电能，然后通过控制逆变器驱动电机带动水泵从井抽水。它具有不消耗常规能源、无污染、无需远距离架设电线、全自动、高可靠性等优点。

　　太阳能光伏提水系统由光电池、控制逆变一体机、光伏水泵组成。光电池是将太阳能转换成电能的装置，控制逆变一体机将直流电转变为交流电实现逆变，并对水泵进行变频控制和最大功率点跟踪实现系统的最优化;光伏水泵是具有宽高效工作区的多级离心式水泵，配备有专用太阳能驱动电机组成的水泵装置。

　　2.1系统工作原理：光伏提水系统是将太阳辐射能转变成电能，然后由电能驱动水泵来达到扬水的目的。同时通过蓄水解决光伏提水系统阴天和夜间无法提水的不足，保证用水的随时性。图2和图3分别表示光伏提水系统示意图和工作原理图。

　　2.2太阳电池方阵与光伏水泵的匹配设计

　　①太阳电池安装方式设计：阳光是驱动光伏水泵的动力，充足的阳光对于光伏水泵的正常运行是十分必要的，考虑到更有效的利用太阳能，以及当地气候条件、预防偷窃和破坏行为等因素，太阳电池组件安装在项目点活动板房的房顶，采用支架式安装方式。太阳电池方阵的倾角于屋面成45度夹角。

　　②容量匹配设计：光伏阵列由众多的太阳电池串、并联构成，其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。目前用于光伏水泵系统的太阳电池多为硅太阳电池，本项目选用容量为175Wp单晶硅太阳电池，最大功率电压为35.4V;最大功率电流为4.95A;根据该项目对流量和扬程的要求，水泵控制器输入电压为72—96V。经计算需用12块同型号的太阳电池板，采用3(串)×2(并)接线方式，一组方阵为一台水泵供电，共需两组方阵。

　　③水泵控制器安装设计：由于水泵控制器要求防雨，而且强光照射会影响水泵性能，因此在设计控制器安装位置时认为将控制器安装在室内较合适，考虑到操作控制器的方便，最终将控制器安装在靠近水井的北面墙上，控制器底端离地1.5米。

　　④水泵泵体安装设计：根据当地人畜饮水的需水量37.90 m³/日，以及PS1200HR-20型的光伏水泵最大流量为3.6m³/h，即25.2 m³/日(按每天日照7小时计算)，在当地至少要安装两台光伏水泵才能满足当地人畜饮水，由于该地区静态水位为12.5米，动态水位为13.3米，在考虑了施工的安全性和方便性后，决定在离井口17米和20米处各放一台水泵。

　　3、系统运行与分析

　　2006年9月课题组完成了设计工作，2006年下半年2007年上半年陆续完成了所有项目中的建设工作，在2007年9月上旬完成设备安装工作，并顺利通过调试，2007年9月下旬系统进行试运行阶段，经过几个月的试运行，(其中我们选取了两天的水泵提水数据见附录。)证明该系统设计合理，并取得了一定的示范意义，为下一步开展太阳能光伏水泵系统提供了积极的指导作用。表1记录的是2007年10月25、26日光伏水泵提水情况。

　　4、光伏水泵系统效益分析

　　4.1社会效益：青海省是我国的五大牧区之一，如何解决偏远地区远离常规电网广大农牧民群众的人畜饮水，同时保持和恢复生态环境，提高牧民生活质量，是各级领导十分关心的问题。本项目在使用光伏提水系统，充分利用当地丰富的太阳能资源，解决牧民群众的人畜饮水问题，为发展牧区小城镇建设，进行牲畜圈养创造了良好的基础，对本地区经济环境可持续发展起到了良好的促进作用。因此，本项目将在如何解决人口相对分散，交通十分不便，经济较为落后地区人畜饮水提供了有效的解决途径，有利于我国牧区现代水利发展。

　　4.2 经济效益：项目实施后，可解决当地人畜饮水问题，从而解决大量的人力，物力和财力，提高农牧民的生活水平。按当地36户152人，牲畜5000羊单位(牲畜折合成羊为单位计算)计算如下。

　　根据《乡镇供水技术标准》，确定采用静态财务分析方法进行经济效益评价;根据《水利建设项目经济评价规范》，确定效益计算按乡村生活供水效益考虑;参照已建或在建人畜饮水工程对乡村生活供水效益的估算方法暂定：人饮水每人每天取水平均节省30分钟，8小时为一工日，每一工日的工资按10元计，全年按150天计，饮水解决后，小畜净体重增加0.5公斤/头·年，单位价值为6.5元/公斤，年毛增加 0.03公斤/只·年，单位价值为10元/公斤。每人每年10～12元，羊每只每年2元，大牲畜每头(匹)每年8元。年收益如下：

　　增肉收入：5000×0.5×14=3.5万元/年;增羊毛收入：5000×0.2×12=1.2万元/年;节省劳动力收入：150×10×36=5.4万元/年;水费收入：152人×14元/人.年+5000只×5元/只=2.7128万元。按设备运行成本费0.5元，日抽水量40m³/d，折旧费按总投资20%计，使用20年，维修费和维护人员工资按总投资2.5%计算，合计年费用为：

　　工程运行费：0.5×40×365=0.73万元。年折旧费：83.6×(1-20%)/20=3.34万元/年。维护费：85.6×2.5%=2.14万元。以上合计年费用：6.21万元。

　　效益分析：年净收益：12.81-6.21=6.6万元/年。效益费用比：6.6÷6.21=1.06﹥1。投资回收期：85.6÷6.6=12.9年。投资收益率：12.81÷85.6=15%。

　　从静态经济分析指标看，经济效益比较可观。

　　4.3 生态效益：光伏水泵利用当地丰富的太阳能资源，解决人畜饮水及草原灌溉。它是绿色环保型供水装置，没有常规能源消耗，不需人照顾，全自动工作。光伏水泵建成后，牲畜不需要到几公里之外饮水，减少对草场的践踏，同时产草量大幅度提高，部分实现圈养，减轻超载量，扼制草原退化和改善草原生态环境。

　　4.4示范性推广：项目实施过程中，德国技术合作公司专家为系统的设计、安装、调试、运行提供了技术支持。在此基础上，专家对系统试运行的数据进行了采集和分析，认为项目完全符合设计理念，满足项目实施地农牧民的生活用水要求，专家积极推荐各地区把这种项目推广实施开来，并把项目成功实施的经验传播到各地，使得项目的推广示范作用发挥出应有的作用。他们认为项目的实施对引进的光伏水泵系统在青藏高原推广应用的适用性展开了研究，使得农村利用可再生能源范围由以往单一的太阳能利用扩展开来，更加有力地加强了资源的利用。

　　5、结语

　　项目利用先进的国外光伏水泵设备，系统使用寿命与以往系统相比有了一定延长，与青海省内其他小型户用光伏水泵系统相比，该系统供水量大，可以解决较多用户和牲畜饮水问题，适合整个村落的使用。系统还采用了大型蓄水箱进行储水，可以保证无日照时正常供水。

　　项目的成功实施，使得光伏水泵提水这一新型的提水方式得以实现，并扩大了农村利用可再生能源的范围。

　　参考文献

　　[1]余世杰，何慧若，苏建徽.光伏水泵系统[J].太阳能，2000.

　　[2]热孜望·坎吉，陈昆仑，刘云峰，等.太阳能光伏水泵和照明综合应用系统[J].能源工程，2000.

　　[3]余世杰，战福忠，沈维祥.光伏承泵的最大功率跟踪器[J].太阳能学报，1991.

　　[4]战梧惠，姜跃伟，泉世杰.光伏供电系统的最大控制[J] .新能源.1992.

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