光伏发电系统在泵站工程中的应用

李天星

摘  要：沟道土地是陕北黄土丘陵沟壑区重要的土地资源，近年来，延安地区实施的治沟造地重大工程，既增加了耕地面积，也提升了耕地质量。在延安市安塞区治沟造地项目灌溉工程设计中，部分项目区因水源位置较低，无自流引水条件，设计采用泵站提水。通过应用光伏发电系统为泵站工程提供动力电源，既解决了泵站系统的用电问题、提升了工程投资效益，又践行了节能降耗环保的现代工程理念，具有良好的示范效应及推广应用价值。

关键词：治沟造地  安塞  泵站工程  光伏发电

中图分类号：S274.1                            文献标识码：A                    文章編号：1674-098X（2020）10（c）-0003-04

Abstract： Gully land is one of the most important types of land degradation in the hilly-gully region of northern Shaanxi Province. As the projects of Gully Land Consolidation have been largely implemented in recent years， it contributes to not only increase in agrarian areas， but also improvement of farmland quality. In design of irrigation project of newly-increased cultivated land through gully land consolidation in Ansai， a part of project area have no condition of artesian water diversion for taking irrigation water， pumping stations should be adopted for taking water. In this case， the power supply of pump station engineering is entirely using photovoltaic generation system， thus improving investment returns and practicing modern engineering concept， which is energy saving and environment protection， and has good demonstration effect as well as great popularization and application value.

Key Words： Gully land consolidation; Ansai; Pump station engineering; Photovoltaic power generation system

治沟造地是针对延安市黄土高原丘陵沟壑区特殊的地形地貌特点，以生物治理和工程治理相结合进行的沟道综合治理，是党中央支持的一项黄土高原生态治理重大方针。项目辐射延安各县区，建设规模达55万余亩。项目的实施为解决当地农业发展瓶颈，夯实现代农业发展基础开辟了新天地[1-3]。延安治沟造地部分项目区临近天然河道或地下潜水丰富，可适当建设高标准的水浇地或水田，发展设施农业，提升当地农业发展水平，同时提升水资源利用效率。灌溉工程的动力一般由电力提供，常见的电力能源主要有煤碳、核能、水能、风能、太阳能等，在我国，目前电力资源仍然以煤炭发电为主，是一种高碳、粗放型的资源开发利用形式，易造成不可再生资源枯竭、生态环境及生活环境的破坏，不符合以人为本、全面协调可持续的科学发展要求[4-5]。所以如何在工程建设中积极引入新能源，践行节能降耗环保的现代工程理念，减少对煤炭等不可再生资源的过度依赖，是顺应时代发展潮流的选择。

在水能、风能、地热能等众多可再生资源中，太阳能是一种应用范围较广、开发技术难度较低的可再生能源，按照年平均估算，太阳辐射可为地球表面带来130万亿t煤的能量[4]。光伏发电是对光能进行开发利用的技术形式之一，因其使用过程中具有清洁安全、扩展灵活、管护成本低等优势，在我国新能源发展战略中占有重要地位，并已在市场上得到广泛关注，分布式光伏也由爆发式增长进入提质增效阶段[5]。根据有关文献报道[6-8]，光伏发电系统目前已在市政、轨道交通、住宅建筑、水处理、农村安全饮水等领域发挥重要作用。

由于治沟造地项目的工程建设地点一般距离城镇、村落较远，采用电网的输配电工程因涉及电力增容费、线路架设、配电装置等费用，往往导致工程施工难度增大、投资增加，且不便于后期管理维护。在全球倡导节能减排的大背景下，在我国实现以人为本、全面协调可持续的科学发展理念的指引下，通过引入新能源进行工程建设的意义显得尤为重要。

延安市治沟造地项目实施以来，安塞区结合项目实际，在某项目的灌溉工程中，首次全部采用光伏发电系统对泵站进行供电。本文结合工程实例，分析了光伏发电系统的基本原理及其在治沟造地项目中的应用优势，以期对类似工程建设规划提供借鉴。

1  工程背景

项目区位于安塞区西南约45km，该区属中温带大陆性半干旱季风气候，多年平均降水量505.3mm，降水在年内分配不均，当地汛期一般为6～9月，降水量占到全年的70%以上。项目区田块为沟道坝地，分布在河道两岸。项目区大棚蔬菜已成为当地农业的支柱产业，但由于近年来地表水匮乏，现有灌溉设施年久失修、功能退化，制约着当地农业的高效可持续发展。

泵站工程建设地点位于项目区河道沿岸，由于田块高于项目区水源位置，设计在杏子河规划修筑大口机井，河床渗水自流引入机井，再由泵站抽水至高位调蓄池，然后通过下水管网输配至各控制田块，接入农户大棚管网，农户通过管网末端控制闸阀自流灌溉。

2  光伏发电系统设计

根据泵站负载，结合当地日照、地形等条件，科学布设光伏发电系统。项目所在地年日照时数为2395.6h/a，日照百分率达54%，参考相关文献[7]，其太阳能资源属可利用区，适宜建设光伏发电系统。

2.1 光伏发电系统的基本原理介绍

太阳能光伏发电系统一般由太阳能板（电池组）、控制器、逆变器及蓄电池组组成。

太阳能板（电池组）是光伏发电系统的核心部件，太阳能板接收太阳辐射发生光电效应，将太阳能转换成电能，再通过外接电路即可形成电流。

控制器主要用于用电设备启动时，为用电设备分配电能，并使系统电能保持一个最优化的输出。

逆变器用于将从光伏电池组件或蓄电池输出的直流电转化为交流电，满足绝大多数电气设备。

蓄电池作为储能部分，当光伏电池所发电量大于负载需求时，蓄电池组储存电能。反之，蓄电池释放电能以维持负载正常运行。

考虑到工程成本、场地条件且不影响系统正常运转的情况下，本工程采用冗余設计，在满足系统正常运行条件下，合理增加太阳能电池组数量，因此未采用蓄电池。

2.2 设计原则

2.2.1 安全可靠性

采用原厂配套零部件及各项指标经检测合格的正规产品，并按照动力电标准，做了防漏电、防雷击等系统防护。在满足正常负载需求基础上，进行了冗余设计。

2.2.2 实用性

充分融合当地灌溉需求，群众能充分享受到科技普及带来的实惠和效益，且便于后期管理维护。

2.2.3 可扩充灵活性

采用模板化设计，可根据负载变化灵活调整系统发电量。

2.2.4 宣传示范性

以治沟造地项目为载体，通过引入光伏系统，直观展示绿色新能源的工程效果，此举既与政府提倡的节能环保理念相统一，与企业降本增效的目的相一致，又契合当地农户的利益需求。

2.3 系统设计

以其中1座光伏系统为例，泵站装机容量为5.5kW，采用ASP250-20/Wd太阳能电池板22块，规则的排布在泵房南侧，经过技术人员现场测算，倾角接近38°，方向朝南。根据泵站装机容量选择5.5kW扬水逆变器1台。

2.4 结构设计

结构主要由混凝土基础、镀锌钢构、光伏组件等组成。钢结构支撑框架支撑在地面混凝土基础上，对支架结构牢度的基本风压及雪压依据《GB50009-2001建筑结构荷载规范》进行设计，然后再安装光伏组件。

2.5 电气设计

以一座光伏系统泵站为例，其主要由太阳能电池组、控制器、逆变器及水泵组成。

2.5.1 主电路设计

共用22块250W太阳能电池组件，16串1并，分成1条支路接入5.5kW扬水逆变器的两个预留端口，逆变器将直流电转化为380V的交流电。

2.5.2 防雷接地设计

根据《GB50057-94建筑物防雷设计规范》，光伏发电站按照第三类防雷建筑进行设计。所有地面支架均采用等电位多点接地方式，且接地电阻应≤10Ω，来防护直击雷。为了防止感应雷和雷电流对系统设备和线路造成的损坏，通过在光伏主要设备内安装防雷模块，并且可靠接地来保证光伏设备和线路的安全。逆变器的防雷措施主要是在逆变器内安装防雷模块，并且设备外壳与防雷器均可靠接地，接地电阻≤4Ω。

2.5.3 水泵

光伏发电系统的供电能力直接受太阳辐射强度的影响，采用光伏系统供电的水泵，其最高效率应是针对某一地区的时间、气候等因素下的平均效率，而不是通常水泵设计中所要求的设计点、工况点的最高效率[9]。根据灌溉需求，本设计选用的水泵型号为200QJ32-54/4。

3  光伏发电系统在治沟造地项目灌溉工程中的应用优势

3.1 光照条件较好

治沟造地项目多与城镇、村落等距离较远，周边建筑物稀少，对光伏发电系统遮挡较少，因此具有较好的光照条件。

3.2 负荷特性稳定

治沟造地项目泵站工程的负荷特性稳定，一般主要满足水泵用电。负荷特性是光伏发电系统设计的关键参数，稳定的用电负载将使光伏系统得到充分发挥，提高光能的使用效率。

3.3 提高施工效率，提升工程效益

光伏系统全部为模块化设计，并有厂家专业人员进行组装调试，施工难度小，施工效率高。与采用电网的输配电工程相比，在电力增容费、线路架设、配电装置等的投资成本明显下降。

3.4 符合农户利益需求

采用电网供电灌溉，农户需缴纳相应的电费，该系统设计全部采用光伏系统提供电力，农户灌溉不再产生电力费用，而且该项目水源全部为河道潜水，即也不需缴纳水费，农户灌溉积极性得到提升，农户利益得到进一步增强。

3.5 管理维护成本低

光伏系统建成后，其运营成本主要在电气连接的日常检测、光伏组件的清洗以及对部分失效部件的更换等简单操作，与采用电网供电相比，成本相对较低。

3.6 符合陕北设施农业发展需要

由于设施农业对光照等的要求，陕北地区设施大棚大多建在地势较高的梯田地，而水源一般位于相对低处，就需要提水灌溉，电能则是灌溉设施发挥作用的关键。通过与太阳能、风能等新能源融合，逐步替代煤炭发电等不可再生能源，对促进现代农业发展具有重要意义。

4  结语

中国目前已成为世界利用新能源和可再生能源第一大国。治沟造地作为国家重大土地整治项目，有利于集中连片机械化耕作，发展现代农业。通过在工程建设中引入新能源、新技术，践行高新、高效、节能、生态、环保的可持续发展路径，对突出并实现“治沟保生态，造地惠民生”的目标具有重要意义，也符合当前时代发展需求。

本文结合治沟造地项目工程案例，分析了光伏发电系统的原理、特点及其在灌溉泵站工程中的应用优势。光伏发电具有显著的能源、环保和经济效益，是技术较为成熟的绿色新动能之一，值得类似工程建设借鉴推广。

参考文献

[1] 贺春雄.延安在治沟造地基础上如何发展现代农业[J].延安大学学报：社会科学版，2013，35（3）：60-63.

[2] 龙花楼，张英男，屠爽爽.论土地整治与乡村振兴[J].地理学报，2018，73（10）： 1837-1849.

[3] 刘彦随，陈宗峰，李裕瑞，等.黄土丘陵沟壑区饲料油菜种植试验及其产业化前景——以延安治沟造地典型项目区为例[J].自然资源学报，2017，32（12）：2065-2074.

[4] 薛鹏鸣.电力系统中新能源发电的应用研究[J].中国战略新兴产业，2018（36）：20.

[5] 韩雪，任东明，胡润青.中国分布式可再生能源发电发展现状与挑战[J/OL].中国能源，2019（6）：32-36+47[2019-07-02].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2587.TK.20190701.1419.012.html.

[6] 朱贺.新能源在地铁系统中的应用与研究[J].科技创新与应用，2018（16）：169-170.

[7] 赵星.光伏发电系统在水处理行业中的应用探讨[J].城市建设理论研究电子版，2016（22）：101-103.

[8] 李中校.太阳能光伏发电系统在高原地区农村安全饮水工程中的应用[J].水利建设与管理，2017，37（3）：27-30.

[9] 邹渝，刘旭，崔海保.太阳能光伏发电在提灌站的环保应用研究[J].四川水力发电，2017，36（5）：101-103.