光伏提水的设计方法和步骤

随着建设社会主义新农村的需求，光伏提水业近年来得到了迅速发展，它对解决人畜供水和农牧业灌溉问题起到了较大的作用。但因在光伏提水工程建设过程中没有可执行的标准，工程建设的随意性大，使光伏提水系统利用率低、效益差，系统功能不能全部发挥。本文将根据多年光伏提水工程的建设和设计经验，依次介绍光伏提水工程的各个设计环节，对每个环节的设计内容、技术要求和指标的确定进行阐述，为今后光伏提水工程的建设提供一个科学的设计方法。

１光伏提水工程的选址

光伏提水工程建设地点选择应具备相应的条件：有稳定、可靠的太阳能资源；５０年一遇的最大风速不大于５０ｍ／ｓ；有适宜的水源条件。

１．１太阳能资源条件

对工程建设地点进行不少于一年的太阳能资源资料测量，并取得距离建设点最近的相应参证气象站的同期资料。满足下列条件的地区，认为适合建设光伏提水工程。（１）条件一、年平均太阳总辐射量不小于１４００ｋＷ•ｈ／（ｍ２•ａ）。（２）条件二、全年太阳能年平均日照小时数不小于２２００ｈ。（３）太阳辐射量年变化和日变化、各月太阳辐射量日变化：用太阳辐射量年变化和日变化、各月太阳辐射量日变化与同期负荷的变化曲线对比，两者相一致或接近的部分越多越好。

１．２水源条件

光伏提水工程建设前，应对建设地点进行水资源的勘察评价，对水源水质和水量提出相应要求。（１）光伏提水工程的水源水一般为清水，如河水、湖水、池塘水、井水等。水的温度不高于４０℃；固体物质含量（按质量计）不大于０．０１％，粒径不大于０．２ｍｍ。（２）选用地下水源时，其允许开采量应大于取水量，保证水源的可持续性；选用地表水源时，其设计枯水流量的年保证率不宜低于９０％。当单一水源水量不能满足要求时，可采用多水源或调蓄水等措施。（３）水源的供水能力应大于水泵的流量。

２光伏提水工程设计

２．１光伏提水工程总体设计应考虑的因素

（１）光伏提水泵站周围不应有影响光伏发电的遮阳障碍物。（２）供水蓄水池应具备重力供水条件，应有一定的容积，保证连续阴天泵站不提水的情况下仍能正常供水。（３）在泵站取水处要预留放置其它取水器所需的空间。（４）系统应有放水装置，以免冬季冻坏水管等设备。（５）在光伏阵列、控制室、水源口、蓄水池处应设有安全防护设施和警示标志。（６）输水管线不应有较大的起伏，穿越不良地质、地段时应采用相应的技术措施。输水管线接口处不应有明显的渗漏。

２．２光伏提水工程技术要求

（１）光伏提水泵设施能在－２０℃～＋６０℃的条件下正常工作。（２）在光伏组件安装的区域内，地基应有相应的承载力，避开沼泽、滩涂、流沙。（３）蓄水池最低点的水头应能满足最不利用户用水终端的水头要求。（４）容量大于２ｋＷ的光伏提水泵站的控制器应有欠压、过载等电子自动保护功能。（５）光伏提水泵站的出水口处应有消能和防冲刷装置。（６）要求冬季作业的光伏提水系统，输水管线应埋设在冻层以下，或采取相应的其他防冻措施，管道上安装阀门处应建阀门井。

３光伏提水机组的选型

光伏提水机组类型应依据工程用途、太阳能资源条件、提水流量及扬程等来选择。流量大于１０ｍ３／ｈ的提水机组或水中含沙量大的宜优先选用离心泵提水机组；流量小于１０ｍ３／ｈ时宜选用高扬程、小流量容积泵提水机组。

４泵站相关参数的确定

４．１系统扬程的确定

光伏提水泵站总扬程是指光伏提水系统在夏季为９～１７ｈ，冬季为１０～１５ｈ抽取的水量与水源供给的水量处于平衡时，水源此时的动水位到出水口中心的高差与输水管道的阻力之和。按公式（１）计算：Ｈ＝Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３＋△Ｈ（１）式中：Ｈ———水泵的总扬程，ｍ；Ｈ１———动水位到最不利用水终端的高差，ｍ；Ｈ２———蓄水池底部到最不利用水终端的高差，一般取２ｍ～３ｍ；Ｈ３———蓄水池深度，ｍ；△Ｈ———总水头损失，ｍ。

４．２系统日提水量的确定

系统日提水量为系统在全日内各个时间段的提水量之和，按公式（２）计算：Ｑｒ＝?ｔｚｔｑＱｉ（２）式中：Ｑｒ———日提水量，ｍ３／ｄ；Ｑｉ———选定机型在确定的扬程下某时段太阳能资源对应的系统流量，ｍ３／ｈ；ｔｑ———一天内系统提水起始时间，ｈ；ｔｚ———一天内系统提水终止时间，ｈ。

５光伏阵列的设计

５．１光伏阵列容量的确定

光伏阵列容量可按公式（３）计算：Ｎ＝Ｎｐｆ×ｋ１ｋ２（３）式中：Ｎ———光伏阵列的容量，Ｗ；Ｎｐｆ———提水系统峰值水功率，Ｗ；ｋ１———太阳能资源修正系数；ｋ２———光伏阵列跟踪太阳方式修正系数。ｋ１、ｋ２值分别按表１和表２选取。

５．２光伏阵列方位角、最佳倾角的确定

（１）方位角γ按公式（４）计算：ｃｏｓγ＝（ｓｉｎαｚｓｉｎ?－ｓｉｎδ）／ｃｏｓαｚｃｏｓ?（４）式中：αｚ———太阳高度角；?———当地纬度；δ———太阳赤纬角。（２）最佳倾角的确定。根据水平面太阳总辐射量结果，计算出不同角度（１０°～６０°间隔１°）倾斜面上各月太阳总辐射量。比较倾斜面不同倾角的月平均太阳总辐照量计算结果，得出全年最大太阳总辐照量时对应的倾角，即为光伏阵列最佳倾斜角。同时也适用固定安装光伏阵列最佳倾角的计算［１］。