淺析光伏在澆灌中的運用
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1光伏灌溉系統(tǒng)
(1)綜合成本(初期投資及運行維護(hù)費用)較架設(shè)電網(wǎng)方案及柴油發(fā)電方案均低。
(2)系統(tǒng)安裝、操作、維護(hù)簡單，運行成本低。由于光伏灌溉系統(tǒng)運行過程無運動部件，無機(jī)械磨損，故障率低，維護(hù)費用低。
(3)系統(tǒng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能利用，無環(huán)境污染，無需支付能耗費用。
(4)系統(tǒng)采用智能化控制技術(shù)，具有完善的保護(hù)功能，可實現(xiàn)全自動控制，無需人工值守。
(5)系統(tǒng)采用IP65設(shè)計，可直接戶外安裝，無需建設(shè)專用機(jī)房。
(6)使用范圍廣，不受地域、外部環(huán)境的限制。
(7)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)水泵電機(jī)的軟啟動，避免水泵電機(jī)直接啟動的沖擊，可有效延長水泵及電機(jī)的壽命。
(8)可利用光照條件直接實現(xiàn)灌溉水量的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)農(nóng)田灌溉的用水平衡。
2光伏灌溉與柴油機(jī)灌溉系統(tǒng)費用情況比較
以1.1kW水泵供水系統(tǒng)為例，我們將光伏水泵供水系統(tǒng)與柴油水泵供水系統(tǒng)做了一個投資運行費用情況比較，(注：考慮到兩者灌溉系統(tǒng)投資及運行費用基本無變化，故僅包括供水系統(tǒng)，不包括灌溉系統(tǒng))。1.1kW光伏供水系統(tǒng)較柴油供水系統(tǒng)初期投資高11000元，但每年運行費用可節(jié)約14490元；這樣投資光伏供水系統(tǒng)，當(dāng)年即可節(jié)約3490元，第二年則可節(jié)約14490元。而且兩年后，柴油發(fā)電機(jī)組基本報費，需重新投資，采購柴油發(fā)電機(jī)組。所以光伏供水系統(tǒng)較柴油供水系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)價值非常明顯。37.5kW光伏灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計(1)光伏灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計基本條件本項目方案采用從深井中取水，根據(jù)業(yè)主提供的項目實施地的水文條件，水井動水位為井下40m；另當(dāng)?shù)刂饕喔仍路轂?月、6月、7月、8月，所以我們僅取項目實施地5～8月份日照時間模型，來作為項目方案計算依據(jù)。(2)光伏灌溉系統(tǒng)方案計算已知條件：水井動水位為井下40m，輸水管等傳輸壓力損失為6m，灌溉季節(jié)為5～8月，灌溉額定需水量約18t/h最大需水量約20t/h，平均日需水量約100t/h；光照強(qiáng)度如光伏灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計基本條件所述。
3水泵的選擇
H=ηh其中，H為光伏系統(tǒng)所需揚(yáng)程；η為光伏系統(tǒng)揚(yáng)程系數(shù)，取1.4；h為進(jìn)水口所需壓力，取70m；故水泵揚(yáng)程選擇H=70m；參考水泵選型手冊，選擇7.5kW深井水泵。水泵逆變器的選擇根據(jù)水泵，對水泵逆變器、光伏組件行匹配。水泵輸出功率為7.5kW，配套使用的光伏水泵逆變器輸出功率為7.5kW，選用EHE-P7K5H光伏揚(yáng)水逆變器。EHE-P7K5H光伏水泵逆變器具有的特點有：具有先進(jìn)的啟動技術(shù)、MPPT技術(shù)及高轉(zhuǎn)換效率設(shè)計，保證系統(tǒng)效率最大化；因采用高效設(shè)計技術(shù)，保證系統(tǒng)出水量最大化，同等配置情況下，出水量為目前業(yè)內(nèi)最高；具有精確PID調(diào)節(jié)功能，可實現(xiàn)智能化揚(yáng)水系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的全自動智能調(diào)節(jié)，可完全無人值守；自帶無功補(bǔ)償功能，確保系統(tǒng)功率因數(shù)，降低能量傳輸線路損耗；完善的保護(hù)功能，包括打干、缺水、過載、欠壓、漏電等保護(hù)，確保系統(tǒng)安全可靠；可根據(jù)用戶需要，選配光伏/市電自動切換功能，實現(xiàn)光伏、市電的自由切換，增加光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的使用靈活性，對于供電不穩(wěn)地區(qū)特別適用；包括各種遠(yuǎn)程通信功能，可遠(yuǎn)程查看、控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)和運行模式；IP65防護(hù)等級的戶外系統(tǒng)，適應(yīng)各種應(yīng)用環(huán)境，低安裝成本；運行環(huán)境溫度范圍廣，最高可達(dá)70℃；完備的系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制，延長系統(tǒng)的使用壽命；根據(jù)客戶不同需求提供各種解決方案，如防盜、GPS遠(yuǎn)程通信、兼容市電輸入等需求。光伏組件功率配置經(jīng)驗公式為：W=ηP其中，W為光伏組件功率；η為光伏組件修正系數(shù)，取1.4；P為逆變器額定功率。由式可計算出：光伏組件功率W=1.4×7.5kW=10.5kW綜合考慮逆變器的輸入電壓、電流，并考慮到系統(tǒng)配置的經(jīng)濟(jì)性，本系統(tǒng)設(shè)計采用45塊230W電池板15串3并連接，電池板參數(shù)。陣列占地面積計算選用的45塊電池板擺放方式為2行23列的陣型排列，考慮到設(shè)計與制造的統(tǒng)一性，分別按8個陣列為一個子陣，共6個子陣，最后一個子陣空出3塊電池板的空間，安裝項目介紹牌。其安裝后的照片。經(jīng)過工程計算得：電池板安裝傾斜角為50，電池板安裝面積占地約為75m2；另考慮到電站系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)周圍設(shè)置護(hù)欄，內(nèi)部設(shè)人行檢修通道等，綜合計算，占地面積約160m2抽水量計算根據(jù)當(dāng)?shù)孛吭碌娜照蘸蜏囟鹊牟煌謩e計算了5～8月份的抽水量和輸出功率情況，計算結(jié)果見表7。其中，5月份每天分時相關(guān)數(shù)據(jù)見表8。由以上所述可知，該7.5kW光伏灌溉系統(tǒng)5～8月份，在滿足揚(yáng)程要求的情況下，每天抽水總量分別為：120t、117t、103t、99t，完全滿足既定要求。
4方案的實施
上述方案設(shè)計完成后，于2013年4月開始實施。由于4月我國東北地區(qū)尚未解凍，給施工帶來較大難度；同時項目地點缺水缺電，又地處偏遠(yuǎn)，交通不便，物資又較為匱乏。但項目人員克服種種困難，從設(shè)計到完成灌溉系統(tǒng)的調(diào)試，僅用了不到一個月的時間，如期在4月底完成灌溉系統(tǒng)全部改造工作，并交付客戶使用，通過客戶初步驗收，有效保證了客戶春耕季節(jié)的灌溉供水。為用戶的節(jié)能、節(jié)水、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收提供了強(qiáng)有力的保障。在該項目實施中，我們發(fā)現(xiàn)由于實際水位較原始所提供數(shù)據(jù)有出入，實際水井靜水位為地下15m，動水位為地下2m，故水泵安裝地下28m。該項目設(shè)施的現(xiàn)場照片如圖3所示。四項目實施后效果項目實施完成后，我們抽取一天進(jìn)行實際抽水量的測試（用灌滿一箱2.5t水箱所用時間計算）。從上述測試數(shù)據(jù)看出，平均抽水量約為30t/h(估算值)，當(dāng)天工作時間自早晨5:00至晚上18:00，工作約13h，故每天抽水量估算390t，遠(yuǎn)大于設(shè)計指標(biāo)。項目交付業(yè)主使用后，恰逢春播季節(jié)，該灌溉系統(tǒng)不僅滿足了業(yè)主自家田地的播種灌溉，尚有多余水以銷售形式輸送給周邊農(nóng)戶灌溉，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。五經(jīng)驗根據(jù)筆者項目設(shè)計經(jīng)驗及在該項目實施過程中遇到的問題，總結(jié)以下經(jīng)驗以供今后在類似項目實施時借鑒：
(1)項目地處東北，施工期短，要趕在春耕期前完成項目改造，必須在凍土情況下施工，這給施工帶來很大難度，又增加了項目施工成本，故要實施類似項目，應(yīng)做好規(guī)劃，在非凍土季施工，可極大地節(jié)約項目成本。
(2)此類項目實施地點均為缺水缺電地區(qū)，所以項目實施前要做好充分的準(zhǔn)備，技術(shù)方案與施工方案均要避免在現(xiàn)場用水、用電。
(3)組件支架的設(shè)計要充分考慮當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，如積雪及風(fēng)力，系統(tǒng)應(yīng)能充分滿足最大雪載荷及風(fēng)載荷的要求。
(4)由于地處較為偏遠(yuǎn)的農(nóng)田中，系統(tǒng)設(shè)計要充分考慮防盜與安全，特別是光伏電池組件與水泵逆變器，當(dāng)有陽光照射時，系統(tǒng)即可能帶電，由于非專業(yè)人士的認(rèn)知水平問題，可能有導(dǎo)致誤觸電的危險，所以系統(tǒng)設(shè)計時，必須要充分考慮防觸電的安全設(shè)計，包括增加防護(hù)欄、采用防隨意插拔連接器的設(shè)計等。
(5)由于很多地區(qū)灌溉季節(jié)較短，如果僅僅將光伏系統(tǒng)用于灌溉，則在非灌溉季節(jié)，太陽能源卻被白白浪費，為充分提高太陽能的利用率，在條件的許可下可為用戶設(shè)計光伏綜合利用系統(tǒng)，即在灌溉季節(jié)，光伏系統(tǒng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，在非灌溉季節(jié)，可利用光伏系統(tǒng)實現(xiàn)人畜用水的提水；或采用蓄電池儲能，用于家庭生活供電等。
5結(jié)論
對于廣大缺水、缺電地區(qū)，較架設(shè)電網(wǎng)或采用柴油發(fā)電灌溉的方式，具有綜合投資少、節(jié)能、環(huán)保、可靠性高、使用、維護(hù)方便等特點，對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值。
作者：姚俊 韓震 單位：安徽頤和新能源公司