光伏灌溉系统浅析及应用实例

安徽颐和新能源公司 ■ 姚俊 韩震

一 引言

光伏灌溉系统是将光伏技术与农业灌溉技术有机接合，利用太阳能为灌溉系统提供动力源，实现农业灌溉，有效达到节能、节水、农业增产、增收的目的，是一项具有广阔应用前景和巨大社会及经济价值的现代农业技术。

本文以安徽颐和新能源公司所研制EHE-P系列光伏扬水系统在农业灌溉的一个具体应用，探讨光伏灌溉系统的设计、施工方面的注意事项及其经济价值，为光伏灌溉技术的应用、推广提供一些借鉴。

二 光伏灌溉系统应用背景

本文案例是在我国东北某地区的一个灌溉系统光伏改造应用实例。

由于农田距电网距离较远，若要实现农业灌溉，以前主要采用架设电网和采用柴油发电机组两种方案。

(1)采用电网架设方式，存在的问题有：造价高，据初步测算，电网每架设1km，造价超过7万元，部分地区甚至超过10万元，成本非常昂贵；由于用电负荷距电网配电距离较远，线路损耗大，负荷处电压不稳；电网架设，施工复杂，建设周期长；电网架设占用耕地面积较大，且耕地中架设电网后，不便于机械化作业，给农业大规模生产带来一定困难。

由于上述原因，此地区大部分农田未实现灌溉，少部分农田采用柴油发电机驱动水泵灌溉。

(2)采用柴油发电机组驱动水泵灌溉存在的问题有：柴油发电机，需消耗大量的柴油，能耗高、运行成本高，同时带来巨大的环境污染；柴油发电机组属机械运转部件，故障率高，维护工作量大，费用高；无法实现全自动控制，必须要有人工值守。

三 光伏灌溉系统方案介绍

针对该地区采用架设电网及柴油发电均存在一定问题，我们将光伏扬水系统与灌溉技术有机结合，采用安徽颐和新能源公司设计制造的EHE-P系列光伏扬水系统，为其设计光伏灌溉技术解决方案(本文仅抽取其中一个7.5kW扬水系统为例)。

1 光伏灌溉系统

光伏扬水系统是区别于传统的交流水泵应用系统的一种有效利用太阳能资源的扬水系统，它是利用太阳电池直接将太阳能转化为电能，然后由光伏扬水逆变器来驱动交流电机拖动水泵，从深井、江、河、湖等水源取水，再输送到目的地，以满足我们对水的需求。此光伏扬水系统具有低碳、节能、环保的概念，也能明显提高缺水、少水地区人们的生活水平。

光伏扬水系统可用于有太阳日照的陆地上，更适用于有水缺电地区，如沙漠治理、农业灌溉、林业浇灌、草原畜牧、海水淡化、生活用水、景区喷泉、水处理工程等。

系统主要由光伏阵列、光伏扬水逆变器、交流电机与水泵，以及管道及储水装置4部分组成。系统框图如图1所示。

图1

光伏扬水系统工作原理为：光伏阵列吸收日照辐射能量，将其转化为电能，为整个系统提供动力电源。光伏扬水逆变器将光伏阵列输出的直流电转换为交流电驱动水泵，并根据日照强度的变化实时地调节输出电压和频率，实现最大功率点跟踪，最大限度地利用太阳能。同时系统采用先进智能化检测控制技术，可实现系统全自动运行。

光伏灌溉系统则是将光伏扬水系统利用到农业灌溉上的一个具体应用，它将光伏扬水系统取出的水通过灌溉系统(如滴灌系统、喷灌系统、沟渠等设备、设施)对农作物进行灌溉，达到节水、节能、增收的功效。

光伏灌溉系统较架设电网及柴油机的方案，存在的优势有：

(1)综合成本(初期投资及运行维护费用)较架设电网方案及柴油发电方案均低。

(2)系统安装、操作、维护简单，运行成本低。由于光伏灌溉系统运行过程无运动部件，无机械磨损，故障率低，维护费用低。

(3)系统直接将太阳能转换为电能利用，无环境污染，无需支付能耗费用。

(4)系统采用智能化控制技术，具有完善的保护功能，可实现全自动控制，无需人工值守。

(5)系统采用IP65设计，可直接户外安装，无需建设专用机房。

(6)使用范围广，不受地域、外部环境的限制。

(7)系统采用变频调速控制，实现水泵电机的软启动，避免水泵电机直接启动的冲击，可有效延长水泵及电机的寿命。

(8)可利用光照条件直接实现灌溉水量的自动调节，实现农田灌溉的用水平衡。

2 光伏灌溉与柴油机灌溉系统费用情况比较

以1.1kW水泵供水系统为例，我们将光伏水泵供水系统与柴油水泵供水系统做了一个投资运行费用情况比较，见表1(注：考虑到两者灌溉系统投资及运行费用基本无变化，故表1仅包括供水系统，不包括灌溉系统)。

从表1可看出，1.1kW光伏供水系统较柴油供水系统初期投资高11000元，但每年运行费用可节约14490元；这样投资光伏供水系统，当年即可节约3490元，第二年则可节约14490元。而且两年后，柴油发电机组基本报费，需重新投资，采购柴油发电机组。所以光伏供水系统较柴油供水系统，经济价值非常明显。

3 7.5kW光伏灌溉系统方案设计

(1)光伏灌溉系统方案设计基本条件

本项目方案采用从深井中取水，根据业主提供的项目实施地的水文条件，水井动水位为井下40m；另当地主要灌溉月份为5月、6月、7月、8月，所以我们仅取项目实施地5～8月份日照时间模型，来作为项目方案计算依据。

根据调查当地气象数据，项目实施地1～12月平均每天日照辐射强度见表2。5～8月平均每天分时日照辐射强度见表3。

表2 月平均日照辐射强度

(2)光伏灌溉系统方案计算

已知条件：水井动水位为井下40m，输水管等传输压力损失为6m，灌溉季节为5～8月，灌溉额定需水量约18t/h最大需水量约20t/h，平均日需水量约100t/h；光照强度如光伏灌溉系统方案设计基本条件所述。

表3 月平均每天分时日照辐射强度

①水泵的选择

H=ηh

其中，H为光伏系统所需扬程；η为光伏系统扬程系数，取1.4；h为进水口所需压力，取70m；

故水泵扬程选择H=70m；参考水泵选型手册，选择7.5kW深井水泵，其扬程与流量对应参数见表4。

表4

②水泵逆变器的选择

根据水泵，对水泵逆变器、光伏组件行匹配。水泵输出功率为7.5kW，配套使用的光伏水泵逆变器输出功率为7.5kW，选用EHE-P7K5H光伏扬水逆变器，其参数见表5。

EHE-P7K5H光伏水泵逆变器具有的特点有：具有先进的启动技术、MPPT技术及高转换效率设计，保证系统效率最大化；因采用高效设计技术，保证系统出水量最大化，同等配置情况下，出水量为目前业内最高；具有精确PID调节功能，可实现智能化扬水系统快速、准确、稳定的全自动智能调节，可完全无人值守；自带无功补偿功能，确保系统功率因数，降低能量传输线路损耗；完善的保护功能，包括打干、缺水、过载、欠压、漏电等保护，确保系统安全可靠；可根据用户需要，选配光伏/市电自动切换功能，实现光伏、市电的自由切换，增加光伏扬水系统的使用灵活性，对于供电不稳地区特别适用；包括各种远程通信功能，可远程查看、控制系统的运行状态和运行模式；IP65防护等级的户外系统，适应各种应用环境，低安装成本；运行环境温度范围广，最高可达70℃；完备的系统保护机制，延长系统的使用寿命；根据客户不同需求提供各种解决方案，如防盗、GPS远程通信、兼容市电输入等需求。

表5 EHE-P7K5H光伏水泵逆变器参数

③光伏组件配置

光伏组件功率配置经验公式为：

W=ηP

其中，W为光伏组件功率；η为光伏组件修正系数，取1.4；P为逆变器额定功率。

由式 (2)可计算出：

光伏组件功率W=1.4×7.5kW=10.5kW

综合考虑逆变器的输入电压、电流，并考虑到系统配置的经济性，本系统设计采用45块230W电池板15串3并连接，电池板参数见表6。

表6 电池组件技术参数

④阵列占地面积计算

选用的45块电池板摆放方式为2行23列的阵型排列，考虑到设计与制造的统一性，分别按8个阵列为一个子阵，共6个子阵，最后一个子阵空出3块电池板的空间，安装项目介绍牌。其安装后的照片如图2所示。

图2

经过工程计算得：电池板安装倾斜角为50¡，电池板安装面积占地约为75m2； 另考虑到电站系统的安全性，系统周围设置护栏，内部设人行检修通道等，综合计算，占地面积约160m2。

⑤抽水量计算

根据当地每月的日照和温度的不同分别计算了5～8月份的抽水量和输出功率情况，计算结果见表7。其中，5月份每天分时相关数据见表8。

表7 5～8月份平均日抽水量及输出功率情况

表8 5月份每天分时平均抽水量及输出功率情况

由以上所述可知，该7.5kW光伏灌溉系统5～8月份，在满足扬程要求的情况下，每天抽水总量分别为：120t、117t、103t、99t，完全满足既定要求。

4 方案的实施

上述方案设计完成后，于2013年4月开始实施。

由于4月我国东北地区尚未解冻，给施工带来较大难度；同时项目地点缺水缺电，又地处偏远，交通不便，物资又较为匮乏。但项目人员克服种种困难，从设计到完成灌溉系统的调试，仅用了不到一个月的时间，如期在4月底完成灌溉系统全部改造工作，并交付客户使用，通过客户初步验收，有效保证了客户春耕季节的灌溉供水。为用户的节能、节水、农业增产增收提供了强有力的保障。

在该项目实施中，我们发现由于实际水位较原始所提供数据有出入，实际水井静水位为地下15m，动水位为地下2m，故水泵安装地下28m。该项目设施的现场照片如图3所示。

图3 系统初步调试出水

四 项目实施后效果

项目实施完成后，我们抽取一天进行实际抽水量的测试（用灌满一箱2.5t水箱所用时间计算），结果见表9。

从上述测试数据看出，平均抽水量约为30t/h(估算值)，当天工作时间自早晨5:00至晚上18:00，工作约13h，故每天抽水量估算390t，远大于设计指标。

项目交付业主使用后，恰逢春播季节，该灌溉系统不仅满足了业主自家田地的播种灌溉，尚有多余水以销售形式输送给周边农户灌溉，取得良好的经济效益。

表9 龙江县光伏灌溉项目7.5kW系统现场抽水测试

五 经验

根据笔者项目设计经验及在该项目实施过程中遇到的问题，总结以下经验以供今后在类似项目实施时借鉴：

(1)项目地处东北，施工期短，要赶在春耕期前完成项目改造，必须在冻土情况下施工，这给施工带来很大难度，又增加了项目施工成本，故要实施类似项目，应做好规划，在非冻土季施工，可极大地节约项目成本。

(2)此类项目实施地点均为缺水缺电地区，所以项目实施前要做好充分的准备，技术方案与施工方案均要避免在现场用水、用电。

(3)组件支架的设计要充分考虑当地的自然条件，如积雪及风力，系统应能充分满足最大雪载荷及风载荷的要求。

(4)由于地处较为偏远的农田中，系统设计要充分考虑防盗与安全，特别是光伏电池组件与水泵逆变器，当有阳光照射时，系统即可能带电，由于非专业人士的认知水平问题，可能有导致误触电的危险，所以系统设计时，必须要充分考虑防触电的安全设计，包括增加防护栏、采用防随意插拔连接器的设计等。

(5)由于很多地区灌溉季节较短，如果仅仅将光伏系统用于灌溉，则在非灌溉季节，太阳能源却被白白浪费，为充分提高太阳能的利用率，在条件的许可下可为用户设计光伏综合利用系统，即在灌溉季节，光伏系统用于农业灌溉，在非灌溉季节，可利用光伏系统实现人畜用水的提水；或采用蓄电池储能，用于家庭生活供电等。

六 结论

通过本应用实例可以看出，光伏扬水系统用于农业灌溉，技术上是完全可行的，且对于广大缺水、缺电地区，较架设电网或采用柴油发电灌溉的方式，具有综合投资少、节能、环保、可靠性高、使用、维护方便等特点，对农业增产、增收具有巨大的经济价值。