广西糖料蔗主产区太阳能光伏提水系统分析与研究

李文斌，吴昌洪，李新建

(1.广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023；2.广西灌溉试验中心站，广西 桂林 541105)

广西糖料蔗主产区位于桂中旱片、左江旱片和桂西北旱片，片区年降雨丰富但降雨集中，降雨往往不能在糖料蔗生长期需水时得到有效利用，加上全区有30%～40%糖料蔗种植在比较零星分散的区域，架线供给能源成本较高，线路维护困难。近年来，金建新[1]等人研究了太阳能光伏发电提水并采用微润管自动灌溉发展模式；高占义[2]等人阐述了太阳能提水装置的组成、太阳跟踪系统、电控系统、专用潜水电机和水泵的研究，以及与国内外同类技术的比较、应用情况及所取得的经济效益；查咏[3]等人进行了光伏提水灌溉的技术和经济性分析。但广西蔗区糖料蔗太阳能光伏提水系统未见有人研究，迫切需要在广西蔗区充分利用太阳能光伏发电并降低提水成本，解决糖料蔗就地提水问题。

1 材料与方法

试验地点为崇左市江州区濑湍镇丈四片太阳能光伏提水试验区。

包括以下主要材料：

(1)安装太阳能光伏板72块，每块250 W，总功率18 kW。

(2)管理房内安装防雷汇流箱，规格PVB-16/1。

(3)控制逆变器，型号SK18.5K；系统控制平台，型号PC-H24(数显)；逆变器，型号RS-P-4D12K；逆变器RS-P-4D3.6K。

(4)潜水泵150QJ10-50(流量10 m3/h，扬程50 m，功率3 kW)；潜水泵200QJ50-52/4(流量50 m3/h，扬程52 m，功率11 kW)。

(5)上水管安装水表，实时记录水泵的提水量。

试验方法：根据实时太阳能辐射量、太阳能光伏实时产生的电量及其对应的提水量，提炼三者之间的关系。

2 试验结果分析

2.1 蔗区太阳能辐射月分配

2014年，江州区濑湍镇丈四片集雨太阳能光伏提水灌溉试验示范区太阳能总辐射量为5 371.22 MJ/m2，9月份最大，达670.38 MJ/m2；12月份最小，仅271.67 MJ/m2；其基本规律为夏季、秋季太阳能总辐射量相对较大，春季、冬季总辐射量相对较小。

图1 蔗区太阳能辐射月分配

2.2 蔗区太阳辐射及光伏发电、提水量耦合关系

(1)太阳能辐射、发电量与提水量的关系。根据试验区全年长系列观测资料统计，在18 kW的太阳能光伏电池板发电，带动小水泵采用150QJ10-50(流量10 m3/h，扬程50 m，功率3 kW)以及大水泵采用200QJ50-52/4(流量50 m3/h，扬程52 m，功率11 kW)的条件下，全年晴天平均日最大提水流量25.58 m3/h。总的来看，太阳能辐射量大，光伏板产生的电量就越多，提水流量也随之增加。从7∶00至12∶00，提水流量逐渐增加，9∶00时提水流量达到最大提水流量的1/3，13∶00时达到最大值；13∶00时以后，提水流量随着太阳能辐射值和发电量的降低而减少。

图2 太阳能辐射、功率与提水量的变化规律

(2)四季晴天平均提水情况。从季度来看，秋季的提水能力最强，夏季次之，春季和冬季最少，这也与太阳能辐射和发电量的分布规律类似。春、夏、秋、冬等晴天日均提水量分别为136.60，235.99，240.83和131.98 m3。

图3 四季典型晴天提水量分布图

(3)试验年可提水总量。根据试验区2014年的观测资料，结合气象站观测数据，计算得到在18 kW太阳能光伏电池板发电，带动小水泵采用150QJ10-50和大水泵采用200QJ50-52/4的条件下，全年可提水总量为37 303 m3，其中，9月份提水量最多，达到6 857 万m3，是12月份的5倍，详见图4。

图4 各月可提水量分布图

2.3 蔗区太阳能提水量与糖料蔗需水量耦合关系

对于试验区光伏水泵提水量与糖料蔗需水量，两者的变化规律高度一致，均在9月份达到最高值。太阳能辐射量大时，糖料蔗生长需水也多，两者是基本同步的，也反映了利用太阳能光伏提水灌溉糖料蔗是可行的。

图5 太阳能水泵提水量与糖料蔗需水量耦合关系图

3 结 语

(1)蔗区太阳能总辐射量的基本规律为夏季、秋季太阳能总辐射量相对较大，春季、冬季总辐射量相对较小，其中，9月、10月的太阳能总辐射量最大，11-2月总辐射量相对较小，其分布规律与糖料蔗需水规律基本一致，证明采用太阳能光伏提水灌溉糖料蔗在客观上是可行性的。

(2)广西糖料蔗主产区崇左市每千瓦太阳能(有逆变器)全年可提水总量为2 072 m3，其中，1月～12月分别可提水80、74、62、95、103、174、242、269、381、327、206和60 m3。

(3)广西糖料蔗主产区崇左市太阳能光伏提水在9∶00时达到最大出力的1/3，12∶00时和13∶00时达到最大出力；9∶00时前和16∶00时后，基本上不能提水，即系统正常日工作时间为8 h。

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