户用光伏供水系统设计探讨

刘红旺，张姣姣，杨志刚

（天津水科机电有限公司，天津 301900）

0 引言

我国幅员辽阔，存在大量的偏远山区、无电少电地区，当地分散居住居民“因水致贫”、“因水受困”问题严重。针对我国偏远贫困地区分散居住家庭饮用水及其他生活用水的现状及需求，户用直流光伏直饮水装置的研制对解决上述地区饮水安全和农业灌溉问题有深远意义。该系统采用电机、水泵一体结构，体积小、重量轻、低压直流供电、节能安全高效、维护简单。可解决偏远地区、无电少电地区、贫困地区分散居住的单户家庭的饮水安全和农业灌溉问题。

1 原理简介

图1 光伏水泵系统工作原理简图

通过图1可知，光伏供水系统是一种以太阳能为能源进行提水的系统，主要原理是利用太阳能电池板吸收太阳日照辐射能量，将其转化为电能，为系统提供动力能源，然后通过电机驱动水泵提水。

2 系统概述

户用直流光伏直饮水装置主要包含太阳能组件、光伏电控制器、光伏水泵、电池组、供水水箱、水净化设备、支架、输配线缆等配套系统。

太阳日照辐射通过太阳能电池板矩阵转化为直流电，由光伏控制器控制实现对电池组充电并同时为负载设备供电；电池组的电能经过直流配电单元和电源转换模块后为用电设备供电。

太阳能光伏发电系统作为目前最洁净的能源，其建设、运行过程具有以下主要特点：

可靠：在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少产生故障，因此光伏发电经常被用于要求供电可靠性很高的场合，而且并未因高可靠性而增加系统建设费用。

耐用：目前，绝大多数太阳能组件的生产技术都足以保证10年以上其性能不下降。

洁净：最洁净的能源，系统运行周期内不存在污染排放。

维护费用低：在远离城镇的边远地区，为了维护或修理常规发电设备要将材料和人员运送到很远的地方，其费用很高，光伏系统运行稳定，可实现无人值守，无需运行维护费用，只需进行周期性的检查和很少的维护工作量，因此维护费用比常规发电设备要少得多。

无需燃料费用：由于光伏系统不需要燃料，从而免去了购买、储存、运输和管理燃料的费用。

减少噪音污染：光伏系统运动部件很少，基本没有噪音。

光伏组件积木化：便于用户根据自己的需要选择和调整发电系统的容量大小，安装时灵活方便。

安全：光伏系统不需要易燃的燃料，只要设计和安装适当，系统具有很高的安全性。

3 应用计算

根据GB/T 50331-2002《城市居民用水量标准》的规定，用水量最低地区为75～125 L/人·d，以户均4人计算，日家庭用水量125×4=500 L。考虑日常灌溉及打扫卫生用水等余量，取户用供水水箱容积为1 m3；保证及时供水并取一定余量，取水泵流量Q=2 m3/ h。

3.1 水泵扬程

以家庭住房居二层楼为例，管道直线长度取400 m,蓄水池（或水井）深度4 m，水泵扬程计算如下：

（1）管道公称直径：d=DN25

通过计算得出：v=1.133 m/s

（3）压水扬程：

根据GB 50013-2018《室外给水设计标准》的规定，取办公楼高度H1=12 m

（4）吸水扬程（蓄水池深度）取H2=5 m

（5）水头损耗计算：

1）线性长度：L=400 m

2）管道(选用钢管)沿程阻力系数：

一般情况下，沿程摩阻系数λ与雷诺数Re和管壁相对粗糙度ε/ d有关。

Re=ρvd/μ

式中：v为流体的流速；ρ为流体的密度；μ为水在20 ℃的黏性系数；d为管径。

计算得出：Re=2.8×104

钢管绝对粗糙度ε取0.1 mm

相对粗糙度:Δ=ε/d=0.1/25=0.004

图2 莫迪图

通过图2可得出：λ=0.033

通过 柯尔勃洛克Colebrook公式：

计算得出：λ=0.031 86

查图2及Colebrook公式计算得出数值相近，因此取λ=0.032。

3）局部阻力系数

表1 局部阻力系数表

管路损耗预估：90°弯头10个，截止阀2个，止回阀2个，过滤器1个。

局部阻力系数为：

∑ζ=10ζ弯+2ζ截+2ζ止+1ζ滤

通过表1及计算得出：∑ζ=53.2

4）根据沿程阻力系数与局部阻力系数，通过计算，可得出管道中水头损耗：

式中：l为管长；d为管径；l/d称为几何因子；v为管内平均速度；v2/2 g为速度水头；λ为沿程摩阻系数。

（6）水泵总扬程

H=H1+H2+H3=12+5+37.02=54.02 m

通过图3，考虑水箱有一定高度和取水余量，因此取水泵扬程H=60 m。

图3 供水示意图

3.2 水泵电机功率

式中，η为水泵效率，η取0.75。

计算得出：W=435.6 W

计算得出：N=0.544 5 kW

3.3 光伏板和电池的选用

根据水箱容积及水泵流量可知，每日启泵时长约为0.5 h。

水泵功率为544.5 W，考虑光照及阴雨天气影响，电池需保证水泵可运行1周以上，因此电池选用：4块12 V、40 Ah太阳能专用胶体蓄电池。

电池所需电量：12×40×4=1 920 W·h

正常光照6 h情况下，为电池充电光伏板功率（取光伏转化效率为0.8）：1 920/6/0.8=400 W

综上所述，选择两块36 V、250 W的太阳能电池板。

4 总结

本文主要以采用太阳能电池发电蓄，电池储能驱动直流水泵，为偏远地区农村家庭提供清洁生活用水，解决贫困地区分散居住的单户家庭的饮水安全和农业灌溉问题。依据实际计算提出户用光伏供水系统的解决方案，对水泵扬程、管道阻力系数、光伏板及电池的选用提供了依据。