太阳能光伏提水技术在低纬高原地区的应用

赵茜　周自玮　严娟　李婧媛　马再波

摘 要：云南属低纬高原地区，由于季风气候的影响，冬春季节性干旱频发，加之山区面积占国土面积的94%，人员居住分散，人在山上住，水在山下流，水利实施难于覆盖，造成干旱季节人畜饮水及灌溉用水困难。该文从云南太阳能资源，太阳能光伏提水原理及设计参数、生态、经济效益等方面，对应用太阳能光伏提水技术解决低纬高原干旱地区人畜饮水及农田灌溉问题的可行性进行了分析，说明光伏提水技术在云南干旱地区具有很好的应用前景。系统设计时，建议水泵额定功率与阵列（组件）功率比控制在1.3～1.5之间；要求逆变控制器的控制能力（功率）介于水泵和电池功率之间，高位水池容量是日提水量的3倍以上，尽量采用双泵联动技术，安装方向为坐北朝南偏西15°。已建成的75个示范点，光伏阵列总功率1 050.05 kW，年可发电1 310 410 kW·h，以煤发电相比，可减少二氧化碳排放1 396.77 t，减少标煤消耗448.16 t。

关键词：太阳能资源 光伏提水系统 光伏水泵 工程设计

中图分类号：P412 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0099-03

太阳能光伏提水系统也称为光伏水泵、太阳能水泵或太阳水泵，是利用太阳能电池发出的电力，通过最大功率点跟踪以及变换、控制等装置驱动高效水泵，将水从低位提至高位，供农田灌溉或人畜饮用。光伏提水是涉及太阳能采集与变换、电力电子、电机、水泵等多门学科专业综合配套的技术，具有低碳环保、就地开发、个性化设计、全自动运行、日出而作、日落而息、无需人看守、不受电网限制、运行成本低、使用寿命长等特点。

1 在云南推广应用太阳能光伏提水技术的必要性

云南地处低纬高原，具有冬春季节性干旱，村寨位置高水源位置低两大特点。虽然云南水资源总量居全国第3位，但水资源存在地域分布不均，垂直分布不均，时间分布不均；干流水资源丰富，但河谷深切，开发利用困难，水资源开发利用率仅为6.7%，远低于全国开发利用率20%的水平。另外，云南为典型的山区多民族省份，居住习惯差异较大，造成全省农村村民居住十分分散，农村供水工程建设难度大、成本高，很难建成较大规模的集中供水工程。“资源性缺水、工程性缺水、水质性缺水”并存，造成冬春季节人畜引水困难常态化。寻求一种科技含量高、易于建设、投资少、可应用范围广的防灾减灾模式，解决人畜饮水及农田灌溉问题十分必要。光伏提水系统具有低碳环保、就地开发、全自动运行、维护成本低、建设速度快的特点，正好符合这一需求。规模化示范推广太阳能光伏提水技术既可与“五小水利”工程形成互补，又可解决水资源开发难度大、水源工程调控能力弱，工程性缺水严重地区人民群众的饮水、用水困难。太阳能光伏提水技术在云南边远、水利基础设施不足或难以进行水利工程建设、电网难于覆盖山区极具推广价值，应用推广前景广阔。

2 云南具备规模化应用推广太阳能光伏提水技术的前提

2.1 云南太阳能资源丰富

云南各地133个气象台站的数据分析说明绝大多数气象台站（约90%以上）的平均年总辐射量在4 500～6 000 MJ/m2·a之间，其中尤以5 000～5 500 MJ/m2·a为最多（约45%）。这些地区主要包括滇中，滇南大部，滇东大部，滇西南，滇北大部分区域（即包括昆明，玉溪，个旧，文山，思茅，曲靖，临沧，大理，丽江，潞西等地区）。少数几个台站其值还超过6 000 MJ/m2·a（永仁，丽江，元江、瑞丽），最高值高达6 167 MJ/m2·a（丽江）。低于4 000 MJ/m2·a的台站只有位于滇东北的盐津、大关、威信、绥江、滇西和滇西北的德钦、中甸，以及滇南的很小区域[1]。经研究计算，云南省太阳能资源总储量为2.142 51×1 015 MJ/a，相当于每年获得标准煤731亿t[2]极具开发利用前景。

2.2 云南太阳能资源可开发利用的区域广

按区划标准，云南省处于太阳能利用丰富区。云南全年平均日照时数为2 200 h，太阳能年辐射总量为3 615.7～6 667.1 MJ/m2·a，平均日照时数超过2 000 h的县（区、市）就达94个，占全省总数的74.6%；太阳辐照度大于5 000 MJ/m2·a的地域占全省面积的90%[3]。综合考虑太阳总辐射、日照时数、日照百分率3个要素的基础上，王国海等人将云南省太阳能资源开发区划分为4类区域：最佳开发区、较佳开发区、可开发区、一般区。

（1）最佳开发区：此区域内年太阳总辐射在6 000 MJ/m2·a以上，年日照时数在2 300 hr以上，年日照百分率在61%～53%之间。

（2）较佳开发区：此区域内年太阳总辐射在5 500～6 000 MJ/m2·a之间，年日照时数在2 100～2 300 hr之间，年日照百分率不低于50%。

（3）可开发区：此区域内年太阳总辐射在5 000～5 500

MJ/m2·a之间，年日照时数在2 100 hr左右，年日照百分率在45%～50%间。

（4） 一般区：在此区域内年太阳总辐射在5000 MJ/m2.a以下，年日照时数在2100 hr以下，年日照百分率不到40%。

太阳辐照度大于5 000 MJ/m2·a的区域包含最佳开发区、较佳开发区、可开发区3类地区推广应用光伏提水技术。

3 太阳能電池

太阳能电池是光伏发电系统的核心器件，其发展水平直接决定了光伏发电的发展水平。太阳能电池种类十分繁多，且结构日趋多样，转换效率也明显提高。在已市场化的太阳能电池中，晶硅电池一直占据着太阳能电池市场垄断地位。截至2010年，在全球光伏组件市场中，晶硅电池组件所占比例高达85%～90%，据EPIA预测：至少到2020年，晶硅光伏组件仍将占据光伏技术的主导地位，因此晶硅电池仍将是未来光伏市场的主流产品[4]。目前晶硅太阳能电池技术已成熟，市售太阳能电池光电转换效率可达18%以上，而且近年来价格有所下降，为光伏提水技术的规模化推广应用奠定了基础。

4 光伏提水系统

4.1 系统原理

光伏提水系统核心部分由太阳能发电系统、光伏提水逆变器控制系统和提水系统3部分组成。太阳能组件将太阳的辐射能转变成电能，电能通过控制逆变器由直流电转化为交流电，并通过控制逆变器驱动光伏水泵提水，水經过进水管道到达蓄水池。为了减少劳动力成本，实现提水自动化，可附加水位监测、水满保护、远程监控等设备。部分水源水质达不到饮用水标准，需增加水质净化系统。

4.2 光伏提水系统的设计

光伏提水系统的参数设计主要为光伏组件（含支架）、控制逆变器、光伏水泵3部分的功率大小及配比。

4.2.1 太阳能电池阵列

由多块太阳能电池组件（阵列）串并联而成，组件因系统配置不同，其功率、电流、电压等技术参数差异很大。选用的电池组件必需达到国家质量标准要求（GB/T 29195-2012）。由于光伏提水系统一般不配备储能的电池，为充分发挥系统的效率，要求高位水池（蓄水池）应足够大，以便将太阳能转变为水势能，以储水代替储能。建议高位水池容量至少是日提水量的3倍。

4.2.2 太阳能电池方阵支架

为了防止支架的自然腐蚀，电池方阵支架设计采用热镀锌型钢材，具有抗风能力。在云南，为充分发挥系统效率，我们建议方阵方向坐北朝南偏西15°，支架基础采用水泥浇筑。

4.2.3 光伏水泵

水泵按结构形式分为多种，离心泵价格低噪音低、外形美观、体积小，重量轻、使用维护方便、密封性可靠；柱塞泵价格高效率也高，但噪音大体积也大。实际应用中根据资金投入、地型地貌选用。无论选用任何类型的水泵，通过逆变器变频技术调速控制后，可更好地保护和利用水泵，延长水泵使用时间。离心泵额定功率由提水扬程及提水量决定，测算公式如下所示。

为充分发挥系统运行效率，水泵额定功率大于10 kW时尽量采用双或多泵联动技术，这样在太阳能辐射量不足时，可自动切换供单泵运行，提高系统效率。

4.2.4 光伏逆变控制器

光伏逆变控制器的作用是实现对系统运行、控制和调节，将太阳能电池发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频率，实现最大功率点跟踪。为减少劳动力成本，达到自动提水和远程监控的目的，逆变控制器中应配置上下水位检测及远程控制模块。逆变控制器的控制能力（功率）应介于水泵和组件功率之间。

4.2.5 组件功率和水泵功率比

为了能够优化配置光伏提水工程中的光伏功率和水泵功率，降低建设成本，屈盛等[6]人分析了控制逆变器的转换效率、导线损失、光伏阵列的实际最大输出功率等影响因素，推算出在云南省绝大部分地区光伏功率和水泵功率之比的优化取值范围应在1.3～1.6之间。我们在云南开展了光伏提水规模化示范，建成75个示范点，实践经验说明组件功率和水泵功率之比控制在1.3～1.5之间即可，以便降低投入成本。

4.2.6 光伏提水系统的特点

系统绿色环保，实现了零排放；无需配备蓄电池储能，减少了投入成本；虽然太阳能光伏取水系统在阴雨天和夜间不能抽水，但因其自动运行，只要基础设施及系统设计配备合理，可将光照充足时的太阳能变为水的势能，用储水替代储能，确保用水安全；系统采用自动化控制包括每天的自动开启和关闭，蓄水池满水、水源缺水自动关闭，实现了无人值守，减少了劳动力成本。同时采用了水泵的堵塞、断相等保护措施，延长了水泵和逆变控制器的使用寿命；系统可根据地型地貌进行个性化设计，适用范围广，设计、建设简单，建设速度快；与柴油机、市电提水相比，光伏水泵系统具有较大的经济优势。

5 太阳能光伏提水技术在云南的应用现状

2010年以来，云南连续多年冬春连旱，造成大范围农作物受灾及人畜引水困难，为充分发挥科技进步在惠及民生、促进社会发展中的支撑引领作用，由云南省科技厅组织，云南省农村科技服务中心牵头，联合多家光伏企业开展了光伏提水技术研发及规模化示范推广工作。为了提高系统的利用效率，系统中采用了最大功率点跟踪、多泵联动、光伏变频器弱功率满足供电、光伏水泵水位和电机载荷检测并无线传输等一种或多种专利技术。截止2014年12月底，云南投入科技经费1 431.7万元（主要为设备经费），在除德宏州外的州（市）共建成光伏阵列5～60 kW、水泵功率3.5～44 kW，净扬程50～700 m示范工程75个，总阵列功率1 050.05 kW，每年按300 d，每天按5 h计算，年可提水186.5万m3。解决了近15万人、9万头大牲畜的冬春季饮水困难及部分农田灌溉问题。2015年投入科技经费500万元，计划建设水泵功率5.4～7 140 kW光伏提水示范点26个，目前已建成8个。地方自筹资金建成光伏提水工程50个，目前云南共建成光伏提水示范工程135个。

6 太阳能光伏提水的经济生态效益

6.1 经济效益

运行成本：光伏水泵系统建设好后基本上没有任何运行费用，相比之下，传统的柴油机水泵系统和交流市电水泵系统则需要较大的运行费用，因此光伏水泵系统比它们具有较大的经济优势。在不考虑输电线路、变压器成本的情况下，以水泵额定功率为7.5 kW的提水系统为例，如果分别采用光伏发电、柴油机和交流电来驱动水泵，则这3种水泵系统的建设成本大约分别为11万元、0.7万元和0.3万元，假定1年运行300 d、日均运行5 h，交流电的电价按0.5元/（kW·h），柴油价按6元/L计算，25年的运行费用（不考虑更换柴油机，其他维护成本相同）分别为：光伏水泵系统运行成本为0元；柴油机运行成本（每发1 kW·h的电按220 g柴油，功率按8 kW算）为如下结果。

交流电运行成本：

因此，即使不考虑柴油机水泵系统和交流市电水泵系统的初期建设费用，它们多年后的运行费用也会超过光伏水泵系统的建设费用。

直接效益：科技经费建成的75个示范工程，光伏阵列总功率1 050.05 kW，年可提水186.5万m3，按3.45元/m3水价计算，年直接经济效益643万余元。間接效益则更高，如昆明市寻甸县河口镇水冒天村委会太阳能光伏取水示范工程水源点有3 000亩烤烟地，但种烟季节无定根水浇灌，2013年经项目实施，解决了保苗定根水问题，年可增加经济收入1 200万元。

6.2 生态效益

光伏阵列发电量=倾斜面接受的太阳能辐射量（kW·h/m2/d）×有效面积（m2）×组件转换系数×系统效率×天数

按组件效率=17%、系统效率平均=80%、日均辐射量=4.19 kW·h/m2/d（按年均辐射5 500 MJ/a计算），1 kW有效面积6 m2；按发电标煤平均消耗342 g/kW·h计算，则每发1度电产生的二氧化碳为：342 g×0.85/12×44=1 065.9 g。

1 kW年光伏阵列发电量=4.19*6*17%*80%*365= 1 247.95 kW·h，75个示范工程光伏阵列总功率1 050.05kW，年发电量=1 050.05*1 247.95=1 310 410 kW·h，以煤发电相比，可减少二氧化碳排放=1 310 410*1 065.9/1 000 000=1 396.77 t，

减少标煤消耗=1 310 410kW·h*342 g/kW·h/1 000 000=

448.16 t。

7 结语

（1）云南省地处低纬高原，冬春季节性干旱明显，村寨位置高水源位置低，冬春季节人畜引水困难已成为常态。实践说明充分发挥科技进步在惠及民生、促进社会发展中的支撑引领作用，合理利用云南丰富的太阳能资源，推广应用太阳能光伏提水技术解决边远山区人民群众的饮水、用水问题，是一种切实可行的方式。尤其适用于一般水利工程建设困难、电网难于覆盖水源点的地区。

（2）系统设计建设时，建议水泵额定功率与阵列（组件）功率比控制在1.3～1.5之间，逆变控制器的控制能力（功率）应介于水泵和电池功率之间，高位水池容量是日提水量的3倍以上，尽量采用多泵联动技术，安装方向为坐北朝南偏西15°。

（3）已建成的75个示范点，光伏阵列总功率1 050.05kW，年可发电1 310 410kW·h，以煤发电相比，可减少二氧化碳排放1 396.77 t，减少标煤消耗448.16 t。

参考文献

[1] 林文贤，吕恩荣.云南省太阳能辐射资源研究一总辐射[J].云南师范大学学报，1990（12）：27-38.

[2] 王国海，隆丽.云南省太阳能产业发展方向浅析[J].中国新技术新产品，2011（23）：252

[3] 涂济民.云南太阳能利用发展概况[J].太阳能，2000（1）：2-3.

[4] 周涛，陆晓东，张明，等.晶硅太阳能电池发展状况及趋势[J].激光与光电子学进展，2013（3）：16-26.

[5] 袁寿其，曹武陵.离心泵最大轴功率值及其流量的计算[J].流体工程，1992（2）：37-42.

[6] 屈盛，刘祖明，李杰慧，等.光伏提水工程中光伏功率和水泵功率的优化匹配[J].云南民族大学学报：自然科学版，2014，23（6）：465-468.

[7] 吴少波.光伏阵列年最大发电量固定倾角的确定[J].太阳能，2011（5）：45-47.