光伏水泵系统工程设计与应用实践

刘祖明， 叶燎原， 李杰慧， 李景天，孙建平， 陈隆正， 马逊， 屈盛

(1.云南师范大学 云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650500；2.云南卓业能源有限公司，云南 昆明 650217)

1 前 言

始于2009年末的干旱，给云南、贵州、广西、重庆、四川等地的人民生活、农业生产带来了极大的影响，甚至一些工厂也因为缺水而停产.2010年，严重干旱造成云南全省742万人、459万头大牲畜饮水困难；小麦播种面积3 700万亩，而受灾面积达3 148万亩，占播种面积的85%.政府在抗旱方面投入巨大，主要是保障人畜饮水安全，云南各灾区采取凭票供水、筑坝蓄水、组织运水等措施保障灾区民众用水.运水方面动用了消防车、拖拉机、畜力车等.

干旱时是太阳能最充足的时候，“天大旱，它大干”，太阳能光伏提水正好可以充分发挥作用.为此我们开展了光伏提水的实际应用研究，为云南、四川的科技抗旱做一些力所能及的工作；在实际工作中对光伏水泵的技术进行改进，取得了一系列成果，目前的技术达到了国内外领先水平.

太阳能光伏水泵亦称光伏水泵或太阳能水泵，是通过太阳电池将光能转变成电能，然后驱动水泵工作的设备.光伏水泵系统设备主要由三部分构成：光伏发电部分—光伏组件，这是光伏水泵的能源来源，由于是采用光生伏特效应原理的光伏组件供电，因此这类水泵统被称为光伏水泵；光伏水泵控制部分—光伏水泵控制逆变器；提水机械部分—水泵.附加还有管道、机房和蓄水池等设施.光伏水泵系统全自动地运行，日出而作，日落而歇，无须人员随时看管，维护工作量低，没有污染，是理想的集经济性、可靠性和环保效益为一体的绿色能源高技术产品.

国际上早在20世纪70年代末就开始研究光伏水泵，早期先将太阳电池所发的电储存在蓄电池中，再从蓄电池中取电供水泵使用；直流水泵可直接使用，只需要简单的充放电控制，交流水泵还需要通过逆变器将蓄电池中直流电逆变成三相交流电.这种方案投资很大，使用寿命较短.为降低投资，通常使用直流水泵的系统较多，直流水泵功率一般都不大于2.2 kW.由于早期太阳电池非常昂贵，光伏水泵系统投资很大，所以基本上没有大的系统[1-3].

我国20世纪80年代中期由德国援助开展了光伏水泵试验运行，在九十年代中期合肥工业大学开始了我国光伏水泵系统的自主研发[4-7].近几年我们在云南、四川开展了大型光伏水泵系统应用工作，多次刷新了光伏水泵系统规模的记录[8-10].

2 光伏水泵系统使用条件及优势

光伏水泵系统以太阳能发电作为动力，需要在日照条件好的区域使用，通常应该在具备三类及以上太阳能资源的地区使用效益才比较好，即一般要求年太阳辐射值不低于4.2 GJ/m2[11].

光伏提水与柴油机抽水相比具有压倒性的经济和技术优势.常规电网供电提水一般需要架设电网或者更换变压器，在架设电网距离大时，架设电网的费用会大于光伏水泵系统的投资，即使距离不大，一般情况下架设电网的费用加上2～6年抽水电费也会超过光伏提水系统电源部分的投资，而光伏水泵的电源系统可以可靠地运行25年以上，因此光伏提水相比常规电网供电提水也有经济上的优势.虽然阴雨天和夜间光伏水泵不能抽水，但通过建设适合的高位蓄水池就可以很好的保证各种时段的用水问题.在这种前提下，光伏提水技术是目前最经济可靠的提水技术.

3 光伏水泵系统设计

光伏水泵系统设计与常规水利上的取水泵站基本相同，但由于光伏水泵电源是光伏发电，因此需要同时按照光伏电站及取水泵站的相关标准进行.一般设计步骤如下：

3.1 水源确定

水源的性质及出水量是水泵系统建设及投资的重要依据.不同的水源采用的水泵有很大的差别，一般水源在地下深处需要采用潜水泵，如果水中泥沙含量大，则要采用污水泵，有良好进水条件时多采用单级、多级离心泵等.确定水源时一个最重要的条件是干旱季节水源不能干涸，否则最需要水的时候光伏水泵无水可抽，无法发挥作用.

一般池塘的水位相对变化较小，但需要确定干旱时的最低水位和水深.对深井需要确定井深、井的直径、水位、动水位及出水量.对河流需要确定干旱季节的最低水位、水深和洪水季节的最高水位.

3.2 用水量确定

人畜饮水和作物灌溉用水均可参照云南省用水定额标准[12]，具体需要水量应根据实际情况来确定，既要满足当前的需要，不浪费，又要考虑近期发展的需要，还有最重要的是有多少资金，应根据资金情况量力而行.

灌溉用水取决于种植作物，特别是灌溉方式，光伏水泵系统虽然是目前最经济的提水技术，但投资仍较大，必须采用先进的节水灌溉技术节约用水，降低投资.特别是仅种植烤烟时，主要是保苗水，需要的时段只有1～2个月，并且是在阳光最好的三、四月份，那么可以提前3～5个月就进行提水，并将其存在较大蓄水池中，这样日提水量可降低到灌溉需要量的三分之一到四分之一，系统投资可以大幅降低.

3.3 水泵选型

水泵是光伏水泵系统的核心部件之一，也是今后系统维护的重点，水泵的选型是光伏水泵系统的核心问题之一，必须认真细致，尽量考虑多方面的因素.

水泵选型的原则：(1)扬程、流量满足要求；(2)水泵使用寿命长，维护便易，应尽量选用商业化程度高的知名厂家成熟高质量产品；(3)效率高，需要的光伏方阵小.需要尽量考虑水泵工作在高效率段.

水泵的种类很多，生产厂家更是竞争激烈，价格、质量差异很大，因此水泵性价比的综合考虑也是项目设备选型的重要环节：

(1)通用离心泵是目前比较适合光伏水泵系统使用的水泵，包括各种自吸泵、管道泵和潜水泵等，具有效率较高、价格便宜、维修维护渠道多、最适合各地农村使用、未来的运行维护成本低等优点；只要扬程及流量满足，这是首选的水泵类型.电机可以选用变频电机.

(2)容积泵(含活塞泵、往复泵等)具有效率高、扬程超高的特点，最高扬程能超过1 000米，特别适合高扬程小流量的场合使用，因此尽管其存在价格较高、体积大、重量大、噪声大、维护要求高、更换费用高等不足，仍是光伏水泵系统设计中值得选用的泵型，在一些建设项目中也具有相当的经济性，尤其是其高扬程的优势，在高山峡谷地带还往往成为较好甚至唯一的可选泵型.电机可以选用变频电机.

(3)直流水泵是指采用的电机是直流的，泵具体可能是离心泵或容积泵的水泵，也是效率较高、控制简单的水泵，比较适合光伏水泵应用；只是水泵价格高昂、种类极少(主要是市场很小，厂家也极少)，今后的运行维护更换费用也极高.

考虑流量时一般设计一天按水泵能满负荷工作5个小时考虑.太阳资源较好的地区或双泵、多泵系统设计的水泵满负荷工作时间可以适当加长，如按5.5或6小时考虑，一般在干旱季节的晴天，经过实际水泵运行情况调查，这个时间是能满足的，但冬季在冬至附近时段还达不到5小时.具体按当地太阳能资源及供水的要求来取值.

水泵功率可以采用下式简单估计：

式中：P为水泵理论需要功率，单位为kW；Q为光伏水泵系统晴天日提水量，单位为m3；H为系统静扬程，单位为m；L为水源到蓄水池的管道距离，单位为m；ρ为沿程管阻及管件阻力之和，单位为m；g为重力加速度，9.81 m/s2；h为光伏水泵满负荷工作时间，单位为s；η为水泵的工作效率.计算的数值供参考，具体水泵的功率需要根据流量及扬程的需要查阅厂家水泵的手册确定，一般均需要不小于这个数值.

稍大的光伏水泵系统尽量采用双泵或多泵系统，一方面系统效率高，能充分利用太阳辐照度低时的能源，使系统的日运行时间延长；另一方面多台水泵也能互为备用，有一台损坏或需要维护时，其他水泵仍能工作，保证一定的供水量.并联水泵的台数也不能太多，因为多台水泵的并联使系统效率下降太多.在流量要求很大时需要架设单独输水管道来满足更多水泵的并联要求.

3.4 光伏水泵控制逆变器选型

在光伏水泵系统中，光伏组件和水泵是有广泛应用实践的技术成熟产品，关键在于如何选型配置、利用好，当然也有不断引入新技术、采用高效率产品的问题；对于无储能装置的光伏水泵系统，控制逆变器是系统的核心技术.

光伏水泵不像常规交流电网供电的水泵.因为光伏组件所发的电是直流电，需要通过逆变器将直流电逆变成三相交流电供水泵使用；由于太阳能是随时变化的，不仅从早到晚每天要经历由弱变强、由强变弱的自然周期，由于云层的影响光强的瞬变幅度也很大，甚至1秒钟之内变化超过50%.对于无储能装置的光伏水泵系统保证系统的平稳运行、控制水泵的工作状态、调整负载功率是控制技术的关键；既要根据阳光的强弱确定水泵的运行状态，以使光伏系统工作在最大功率点附近，从而获得最高的光电转换效率，又要使水泵的运行随阳光的强弱及时变化以保证在光强突然大幅变化时水泵状态的及时平稳变化.

光伏发电的输出功率不仅随辐照度、环境温度变化，而且与系统的工作电压有关，在一个环境状态(光强、温度)下对应一个特定的工作电压，光伏发电的输出功率有个唯一的最大值.如何保障光伏水泵系统的高效率是目前光伏水泵控制的核心难题之一.需要选择可靠性高、系统效率高的光伏水泵专用控制逆变器.

光伏水泵控制逆变器的容量必须满足已选型水泵的重载启动.在云南高原使用还必须考虑由于海拔高所带来的容量下降，保障系统长期可靠运行，一般要求光伏水泵控制逆变器的功率比水泵电机功率大一级.

3.5 光伏电源系统设计

光伏方阵是整个系统的动力核心，光伏组件的选型及配置是确定光伏水泵系统性价比的主要因数.根据太阳电池的光强温度特性及寿命周期的性能演变特性，光伏组件容量比水泵设计提水功率大一定比例才是比较合理的配置：

光伏组件的标称功率指的是标准条件下(光谱分布AM 1.5，辐照度1 000 W/m2，温度25 ℃)测试的最大功率.因为光伏组件是负温度系数器件，在晴天阳光照射下，光伏组件结温一般比气温高25 ℃至30 ℃，在云南的大部地区也就等于光伏组件的晴天实际工作温度一般为60 ℃左右；一般晶体硅光伏组件的输出功率温度系数约为-0.4%/℃(不同类型的组件有不同值，具体应根据使用组件的实际数据确定)，且在实际工作时有约14%的温度损耗.在实际使用中由于组件上的灰尘遮挡、组合损耗、线损和控制逆变器效率等，还存在约8%至10%左右的系统损耗.此外光伏组件在其25年的使用寿命中允许有20%的功率衰减，因此考虑到光伏水泵系统25年的正常使用寿命期，保证适当的组件余量是必需的.再加上水利设计中的一些因数(管距、管阻等)偏差可能导致的提水功率偏大，水泵的高效运行区间要求等因数，适度再考虑5%左右的设计余量是合理的.

光伏子系统电压设计应充分考虑光伏系统的电压温度关系：设计工作电压应保证全年对负载的有效供电，系统可能达到的最高电压不能超过单块光伏组件所能承受的最大系统电压，也不能超过控制系统所能承受的最高系统电压，同时又要使全年系统大部分工作时间内的电压在光伏水泵控制逆变器的最大功率跟踪范围内.

光伏方阵总功率一方面取决于上述系数，同时还与水泵的性能密切相关，具体设计需要根据厂家目前能提供规格来选取，使总功率的数值尽量靠近理论值.

目前通常采用固定倾角的模式来安装光伏组件.光伏组件的倾角按用水需要优化计算，适当兼顾全年提水或为灌溉季节准备提水的要求，具体方法见文献[13].

光伏方阵需要安装在地基稳定，阳光照射优良的地方.光伏子阵布置应根据地形尽量减少占地，但又必须满足独立光伏电站技术规范的标准要求[14].

3.6 防雷系统设计

对于光伏组件阵列采用全阵列接地，所有组件金属边框及支架阵列连接在一起，形成整体接地网，接地电阻达到小于10 Ω的国家规定的标准防雷接地要求.

汇流箱、光伏控制逆变器电路中装有的防雷器模块与接地装置连成等位体，所有水泵电机外壳、电气设备外壳、配电柜(箱)的接地母线、架构均与接地装置连接成等位体.

3.7 管道设计

通常水泵扬水系统管道设计按水力学原理，根据流量、管道距离及管道特性计算，一般要求管道沿程阻力小于5%，具体数值取决于管道建设投资与系统扬程关联的其他设备投资的综合平衡.

吸水管路应尽可能短，减少配件.

送水管能使任何一台水泵及闸阀停用检修而不影响其他水泵工作.

出水管上应设闸阀、止回阀或压力表，并宜设置防水锤装置.

管道的耐压必须满足水泵系统的要求.为降低成本可以采用分段逐步降低耐压要求的方法设计建设管道.特别是高扬程系统需要按要求仔细核算管道的耐压.

管道的类型在满足耐压要求的前提下可以采用钢管或PE管，具体看管道架设的条件和要求确定.

管道的连接方式有焊接及法兰连接，具体根据施工条件及业主的要求进行.

在管路布置上要求管路尽量直行，尽可能避免弯头，特别是尽量减少使用直角弯头来减少管道阻力.为了承受管路中压力所造成的推力，应在必要的地方(如弯头、三通处)装置支墩、拉杆和镇墩等，避免这些推力传给水泵.

3.8 机房设计

机房首先应满足机电设备布置、安装、运行和检修的要求；应按相关规范要求设置通风、排水、照明等设施.结构强度符合民用建筑相关规范要求，还要求抗震烈度达到当地的抗震要求.修建时应与电器和管道施工配合，预埋、预留孔洞.

泵房长度：根据水泵机组台数、布置形式、机组间距、边机组段长度和安装检修间距等因素确定，并应满足机组吊运和泵房内部交通的要求.

泵房宽度：根据机组及控制逆变器、辅助设备布置要求，进出水管道的尺寸，工作通道宽度，进、出水侧必需的设备吊运要求等因素确定.

机房面积既要满足设备布局的要求，又要厉行节约，不要浪费，否则会增大投资.

机房地基应有足够承载能力，地基不能满足承载要求时应采取换土等技术措施.机房地基设置深度根据现场实际情况确定，要求要满足水泵长期可靠运行.

泵房进户门为方便设备的进出，采用向外的双开铁门.对于重量比较大的水泵，泵房在适当位置安装起吊机械，便于安装、维修及更换水泵.

3.9 蓄水池设计

蓄水池是光伏水泵系统中不可缺少的重要部分，光伏水泵的理念是细水长流，只要阳光达到阈值就能抽水，将太阳电池发电蓄电变成了蓄水，蓄水池成本不高，使用寿命很长，这是光伏水泵系统的最根本的特点.

有时需要建设水源点蓄水池，主要是满足水泵满负荷工作时的流量要求，并且能达到一定过滤效果.

对人畜饮水工程，高位水池的容积应能满足至少3～5天的晴天日提水量，且高程需要满足能够自流到所有家庭的要求.水池必须采用钢筋混凝土结构，并且需要加盖封闭，水池建设需要满足国家的相关规范.水质需要达到饮用水标准.

对于作物灌溉用水则需要水池容积越大越好.比如一年仅干旱时期的1～2个月浇灌，其余时间均不用，那可以提前3～5个月抽好水放在蓄水池中，在需要时放出，这样系统的规模就比较合适，这时就需要储存几个月的用水.灌溉用水所使用的蓄水池要求不高，不一定要采用钢筋混凝土的水池，一些水潭、池塘均可，只要不漏水即可.可以采用一些廉价的技术，如土工布来处理水的渗漏.

当地形是比较陡峭的山坡时，不需要将所有的水都提高到山顶水池再放下来，这样能量浪费很大，不经济.在灌溉土地较多的半坡可以再建设一个水池或几个水池.将水池分散建设也能降低投资，更重要的是避免由于很大水池的重量导致滑坡而损坏.水池建设的位置必须有稳定的地质结构，并能承受水池蓄水后的重量.

4 光伏水泵系统核心技术及工程应用实践

云南师范大学联合云南卓业能源有限公司在云南省科技厅、能源局和水利厅等支持下，开发的光伏水泵在水泵控制核心技术上取得了一系列突破，开发的“天眼”光伏水泵控制逆变器，能适应云南当地太阳辐射快速变化的独特气候，具有跟踪及时、不掉线、自动启动停机、水干和水满保护停机等特点，在光伏水泵控制上率先在国内实现了动态最大功率跟踪，也率先实现了光伏水泵系统的多泵控制、光交并行和遥测遥控.

自2011年12月第一套光伏水泵系统在文山州西畴县董马乡建成以来，已经在云南、四川完成40多套光伏水泵系统的建设.其中2012年5月在昆明市五华区厂口社区小村建成的18.5 kW水泵系统刷新当时全国光伏水泵规模的纪录；2012年9月建成的大理州龙山行政中心60 kW水泵系统刷新当时世界光伏水泵规模的纪录；2013年7月建成的四川省攀枝花市仁和区平地镇迤沙拉村水泵系统功率117.5 kW，系统静扬程达到887 m，刷新世界光伏水泵系统规模及最高扬程两方面的纪录，也是国际上首次将大型高压柱塞泵应用于光伏水泵系统中.2014年12月建成的云南省保山市隆阳区瓦窑镇木瓜村74 kW水泵系统刷新云南省光伏水泵系统规模及最高扬程两方面的纪录，在世界范围内该系统排在第二.2013年1月完成的大理州漾濞县鸡街乡河口移民安置点系统是我省第一个大江提水的光伏水泵系统，目前在澜沧江、金沙江和怒江均建设了光伏水泵系统.

特别是在最大功率跟踪方面，2014年实现的第5代技术MPPTSL，是针对光伏水泵系统开发的最大功率跟踪技术：根据环境条件(光强、温度)锁定光伏系统最大功率点，以保证水泵有效平稳运行为控制基础，控制模式有效容纳了水泵系统的机械惯性等系统紊动、延滞特性，兼顾光强变化的高速响应；效率较常规MPPT技术提高约20%，较固定电压跟踪技术效率提高30%以上.

在多泵控制方面，目前的第4代技术具有独立控制，在阳光稳定情况下后续水泵的启动不对前面已经工作的水泵造成干扰，可实现两个相同水泵、不同水泵及三个水泵并联、串联等控制.在实际运行的系统中已有2个三泵、5个双泵系统，最长的已经运行两年多.

光交并行技术也发展到第5代技术，更可靠方便地实现光交并行，并且是优先使用光伏发电，不够部分才从电网补充，最大限度地发挥光伏发电的作用，节约了电费，并且不对电网产生干扰.

遥测遥控技术也发展到第2代，可以通过GPRS网络实现对光伏水泵系统的遥测遥控，可以在WINDOWS系统的电脑上实现，也可以在ANDROID系统的手机上实现，大大方便了使用.对水位也实现了通过无线电信号的远程监控.

通过众多工程实践，不断改进、提高和创新技术是我们光伏水泵技术进步的核心，目前在光伏水泵系统核心技术方面已经申请专利，并有多项核心技术，所有这些技术积累使我们的光伏水泵控制技术处于国际领先水平，光伏水泵系统技术得到国内外广泛认可.2013年9月发表的论文被评为第13届中国光伏大会优秀论文；2014年2月，领衔的“光伏水泵规模化应用”被云南省科技厅及新华社云南分社评为“2013年度云南省科技十大进展”；2014年6月，我们的光伏水泵智能化控制技术被联合国工业发展组织评为2014年度全球可再生能源领域最具投资价值的创新技术蓝天奖(全球仅有10个项目获奖，也是至今唯一颁发给光伏水泵的奖).

5 结 论

(1)光伏水泵系统特别适合云南克服水在低处、常规电网提水成本过高的难题，已经建成的数十套光伏水泵系统运行证明能低成本地解决当地群众的人畜饮水、农田灌溉问题，是我省全面实现小康建设不可缺少的技术手段，在我省经济建设，特别是在城镇上山、产业上山战略中做出越来越显著的贡献，有助于我省完成“民族团结进步示范区、生态文明建设排头兵、面向南亚东南亚辐射中心”的新目标和新定位.

(2)光伏水泵在不需要架设电网及更换变压器前提下是目前最经济可靠的提水技术.只要有太阳能资源、水源及光伏方阵安装场地的保障便可满足光伏水泵的使用条件.

(3)系统介绍了光伏水泵系统设计要求及步骤.

(4)光伏水泵系统的核心控制技术取得了一系列突破成果：最新一代光伏水泵最大功率跟踪技术MPPTSL、多泵控制、光伏并行、远程水位和遥测遥控等技术均达到世界领先水平.

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