一种风光互补高效提水装置的研究＊

□陈爽 蒋辉霞 刘波 何清燕/四川省农业机械研究设计院

1 研究背景及意义

在“十三·五”规划中，中央明确提出“推动能源生产和利用方式变革，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系”，要求“坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点”。太阳能和风能作为一种清洁的可再生能源，在农业工程中的综合运用及推广是新能源技术发展的一种有效探索，是促进农业可持续发展的一种有效途径。

四川省凉山、攀枝花、甘孜、阿坝等地区地广人稀，“十年九旱”，农业灌溉及供水基础设施条件差，农民生产用水及基本人畜饮水供应供应十分困难。为解决这一问题，太阳能提灌技术得到了广泛应用，但在太阳能资源不够丰富或分布不均匀地区采用太阳能提灌技术不能完全满足供水需求，而这些地区风能条件较好。可以通过风光互补，利用风能、太阳能在时间和能量上的动态互补性，在白天光照强度充足但无风条件下采用太阳能光伏发电供能，在夜间或弱光且风能充足条件下采用风能发电供能，在光照强度及风能均充足条件下两个系统同时发电供能，装置将水从低处提到高处，再通过山坪塘、蓄水池、水窖等蓄水、保水。风光互补高效提水装置对能源的利用率更高，运行成本更低，更经济合理。

2 系统组成

风光互补高效提水装置包括太阳能光伏发电系统、光伏系统避雷及接地设备、光伏逆变系统、光伏控制系统、风能控制系统、风能发电系统、风能系统避雷及接地设备、风能逆变系统、风能控制系统、动力线路、水泵、输水管道等。

光伏控制系统和风能控制系统均为电性连接动力线路，且光伏控制系统和风能控制系统之间为并联连接，两个系统独立运行相互不影响，且有效地于动力线路处汇集，动力线路由四芯防水橡套铜芯电缆构成，最大程度地避免了各种自然灾害对电缆的影响，增加了装置的使用寿命，风能逆变系统和光伏逆变系统内部安装的逆变器规格相同，两个规格相同的逆变器能保证传输的电能同步且统一。

本装置在使用时，太阳能光伏组件将采集的太阳光能，转化为直流电能，输入光伏逆变系统，通过逆变系统的转换作用，将该直流电能转换为交流电能输出，同时，风能发电系统通过上述相似方式将风能输出；通过各自的控制系统实现运行模式的切换，控制系统输出的交流电能通过动力线路进行电能输送，通过高效水泵将水加压后进入输水管道，再通过输水管道输送至蓄水池；到了用水季节，可以直接从蓄水池取水，用于农作物的灌溉。

3 关键技术

本装置将太阳能和风能两种能源发电技术应用在农业灌溉中，通过太阳能和风能在多方面的特性互补研究出风光互补高效提水装置，主要有以下几点关键技术。

1）在无蓄电池的条件下，实现风光互补能源的动态跟踪，达到自然能源的最大利用，保证系统的稳定运行。

2）研究风光互补高效提水装置在风光互补状态下，太阳能光伏发电、风能发电与总电源输入特性匹配的关键技术。

3）研究在风光互补状态下，控制系统与高效水泵的协同作业，通过电源切换、参数检测、数字化控制、谐波技术，电磁兼容技术，实现系统的多种运行模式。

4）传统水泵机组工作受输入功率变化影响较大，当遇到能量供给下降时，水泵无法正常运行，通过对风光互补高效提水装置的研究，提高系统效率，使系统安全高效运行。

5）通过对风光互补高效提水装置的研究，实现能量跟踪控制、智能故障保护等功能；风光互补高效提水装置能采集开机指令、电压传感器反馈、液位、系统压力等信号，通过与预设值的比较，进行PID计算，不断调节频率输出，进行动态控制，自动调整高效水泵运行工况。

6）通过风光互补高效提水装置在时间和能量上的动态互补，实现根据作业地现场自然条件，自动进行双电源的适时切换或共同运行。

4 结语

随着国家新能源政策的不断实施，太阳能、风能利用技术的不断发展，高效水泵的不断研制，风光互补高效提水装置的发展前景将十分广阔。装置的应用推广能降低能耗，在保护环境的同时还大大改善了当地的人居环境和农业生态环境，在提高农作物产量的同时还可提升农产品的品质，对当地农户产生很好的经济效益。同时，可以有效解决四川省甘孜、阿坝、凉山等地区因电力短缺等原因导致的取水难题，提高当地抗御自然灾害的能力，为农业灌溉用水、生态治理供水、当地村民的饮用水提供有力保障。