風(fēng)力和光伏提水泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)探究

陳建剛

摘 要：近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，我國風(fēng)力和光伏提水泵站的技術(shù)水平更上一層樓，為農(nóng)田灌溉、人工草場供水以及人畜用水提供了穩(wěn)定的水資源，是我國農(nóng)業(yè)以及畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。但當(dāng)前風(fēng)力和光伏提水泵站的設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性，運(yùn)轉(zhuǎn)效率不高，不能為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到積極作用。基于此，本文分析了風(fēng)力和光伏提水泵站的工作原理，并對如何優(yōu)化風(fēng)力和光伏提水泵站的設(shè)計(jì)提出了合理建議參考，以供相關(guān)部門或有關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力提水；光伏提水；提水系統(tǒng)；用水需求

中圖分類號：TV675 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.20.086

文章編號：2095-6835（2016）20-0086-02

依托于風(fēng)力和光伏提水泵站產(chǎn)生的能源屬于可再生能源，能有效緩解石油化工等傳統(tǒng)能源的緊張以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，加之風(fēng)力和太陽能的造價(jià)低、污染小、便于生產(chǎn)，受到了社會(huì)大眾的廣泛關(guān)注。近年來，隨著我國社會(huì)主義現(xiàn)代化事業(yè)的推進(jìn)以及城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，“民生水利”“社會(huì)主義新農(nóng)村”建設(shè)對風(fēng)能、太陽能的利用提出了更高的要求。眾所周知，農(nóng)村地區(qū)的供水、農(nóng)田灌溉、灌溉草場等都離不開風(fēng)力和光伏提水技術(shù)的支持。風(fēng)力和光伏提水泵站的建立，一方面可在一定程度上緩解我國能源資源的利用壓力，另一方面還可以解決牧區(qū)、農(nóng)區(qū)的用水問題。通過認(rèn)真研究建成的風(fēng)力和光伏提水泵站，其生產(chǎn)效益不理想，各項(xiàng)功能不完善，保證率不高。因此，只有從源頭上優(yōu)化風(fēng)力和光伏提水泵站的設(shè)計(jì)，才能建成功能齊全的風(fēng)力和光伏提水泵站。

1 淺析風(fēng)力和光伏提水泵站的工作原理

1.1 風(fēng)力提水泵站的工作原理

人類較早開發(fā)利用的機(jī)械設(shè)備之一為風(fēng)力提水。傳統(tǒng)的風(fēng)力提水為低速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，屬于風(fēng)車驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式積水泵，其對風(fēng)能的利用效率低下，通常小于10%，出水狀態(tài)不理想，斷斷續(xù)續(xù)的非連續(xù)出水狀態(tài)無法滿足供水的需求。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，發(fā)電式提水系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的風(fēng)車驅(qū)動(dòng)提水系統(tǒng)，其運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、布置方式靈活多樣、安全性能較高。發(fā)電式風(fēng)力提水系統(tǒng)的工作原理為：風(fēng)輪可將收集到的風(fēng)力進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而拉動(dòng)風(fēng)力提水泵站的運(yùn)行。發(fā)電機(jī)與泵水設(shè)備利用控制器實(shí)現(xiàn)匹配兼容，達(dá)到提水的目的，提出的水通過輸水設(shè)備輸出到各個(gè)需要供水的地方，以滿足動(dòng)植物的用水需求。

1.2 光伏提水泵站的工作原理

控制器、光電池以及光伏水泵是光伏提水系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。太陽能輻射可以直接通過光電池轉(zhuǎn)化成電能，然后通過控制器的處理，將直流電轉(zhuǎn)化成交流電。只有交流電才能夠?qū)崿F(xiàn)逆變，從而達(dá)到對水泵跟蹤和控制的目的。在光伏提水系統(tǒng)中，楊水是靠潛水電泵裝置實(shí)現(xiàn)的，主要包括配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、潛水水泵、用水終端。其基本工作原理與風(fēng)力提水系統(tǒng)的工作原理相似，特點(diǎn)是穩(wěn)定性高、效率高，能基本滿足農(nóng)田，蓄區(qū)以及草場的用水需求。

1.3 泵站設(shè)計(jì)的一般要求

無論是風(fēng)力提水泵站，還是光伏提水泵站，其泵站設(shè)計(jì)的一般要求主要體現(xiàn)在以下3方面：①對于障礙物的控制。風(fēng)能和太陽能屬于可再生資源，其產(chǎn)生具有特殊性要求。無論是風(fēng)力提水泵站，還是光伏提水泵站，在修建時(shí)其四周都不可出現(xiàn)阻風(fēng)和擋光的障礙物。如果不可避免障礙物存在，一定要注意障礙物與風(fēng)力機(jī)之間的距離。主風(fēng)方向與障礙物的距離至少要保持在5倍以上，其他方向的距離至少要保持在2倍以上。對于光伏陣列而言，其距離要以冬天障礙物的最長影長為準(zhǔn)。②對于較大容器的提水泵站而言，要求建立專門的控制室，且必須搞好控制室的硬件設(shè)施，配備完整的取暖和通風(fēng)設(shè)施，并搞好墻面的粉刷與地面的硬化工作；③蓄水池的位置。蓄水池一般選擇建立在高地，要注意控制蓄水池周圍的環(huán)境建設(shè)，不可在蓄水池周邊建垃圾場，以免水源遭到污染。

2 淺析風(fēng)力和光伏提水泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 總揚(yáng)程的確定

所謂“總揚(yáng)程”，是對于風(fēng)力提水泵站的設(shè)計(jì)而言的。在一定風(fēng)速下，應(yīng)保證供給水量與抽水水量的平衡。此時(shí)，出水口刀動(dòng)水位的垂直高度與管道產(chǎn)生的阻力之間構(gòu)成的和即總揚(yáng)程。而對于光伏提水泵站的總揚(yáng)程，是在定額電能作用下，保持供給水量與抽出水量之間的平衡狀態(tài)，距離與管道阻力之間的和。根據(jù)其公式表達(dá)式可知，總揚(yáng)程就是終端垂直距離與蓄水池高度加上管道阻力之間的和。

2.2 泵站日均提水量的確定

一般而言，泵站日均的提水量是有定額可循的。在風(fēng)力提水泵站中，其日均提水量的確定方式為：在日均一定的總揚(yáng)程下，同級別風(fēng)速下水泵流量與不同級別有效風(fēng)速之間的乘積，然后除以365 d，這就是風(fēng)力提水泵站日均提水量的確定方法。

在光伏提水泵站中，其日均提水量的確定方法為：在定額揚(yáng)程的設(shè)定下，不同級別之間的有效光照加上流量乘積，就是光伏提水泵站日均提水量。風(fēng)力和光伏提水泵站日均提水量的確定不僅可以優(yōu)化供水方案，還能節(jié)省風(fēng)能與太陽能等資源，是優(yōu)化設(shè)計(jì)提水泵站的有效途徑。

2.3 設(shè)計(jì)蓄水工程

要想從根本上提高風(fēng)力和光伏提水泵站的能力和水平，就需要不斷優(yōu)化泵站設(shè)計(jì)的各個(gè)部分。只有這樣，才能達(dá)到理想目標(biāo)。因此，不斷優(yōu)化蓄水工程，是提高風(fēng)能和光伏提水泵站科學(xué)性的關(guān)鍵所在。具體而言，應(yīng)確定蓄水工程的形式。蓄水工程的建設(shè)要嚴(yán)格考察周邊環(huán)境，全面了解當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛玻_定建設(shè)材料的材質(zhì)，把關(guān)蓄水工程的用途，選用與地形地貌相適用的水窖、水池或水罐等的形式。不可將蓄水池建在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，應(yīng)該將蓄水池建在高處，不易受到地質(zhì)災(zāi)害的影響。此外，還要注意控制風(fēng)力、光伏提水機(jī)組揚(yáng)程與蓄水池之間的高度差，蓄水池的容量要控制在總揚(yáng)程之內(nèi)，既不能超過總揚(yáng)程的設(shè)定，也不能小于日均提水量的3倍。蓄水池建好以后，還需要在相應(yīng)位置設(shè)置泄水道和堵水池，防止洪澇和旱災(zāi)的影響。

2.4 輸配水工程的設(shè)計(jì)

當(dāng)蓄水池建好以后，需要優(yōu)化輸配水工程設(shè)計(jì)。在輸配水工程中，最主要的是輸水管線的設(shè)計(jì)和布置，應(yīng)把握以下3個(gè)方面的內(nèi)容：①位置的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)輸配水管線的過程中，要把握好蓄水池的位置，住戶的分布以及地形地貌等因素，既要滿足供水的需要，又要避免不良地段。②具體問題具體分析。輸配水管線的鋪設(shè)并不是統(tǒng)一規(guī)劃的，而是需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛?、?jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r以及住戶對水的需求量來確定的。當(dāng)規(guī)模較小時(shí)，可以采用單管布置的形式；當(dāng)規(guī)模較大時(shí)，則需要優(yōu)先采用重力輸送的方式。③注重排氣閥的設(shè)置。輸配水管線每隔一段距離都需要設(shè)置自動(dòng)排氣閥，保持管線內(nèi)壓力平衡，降低因受壓不均而產(chǎn)生爆炸事件出現(xiàn)的概率。

3 結(jié)束語

綜上所述，風(fēng)力和光伏提水泵站的工作機(jī)理大同小異，其根本目的都是為了滿足農(nóng)田灌溉、草場灌溉以及牧區(qū)用水。為了不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng)能和光伏提水泵站的設(shè)計(jì)，要從其構(gòu)成部分入手，加強(qiáng)輸配水工程的設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)蓄水工程，確定風(fēng)力和光伏提水泵站的總揚(yáng)程和日均提水量，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)力和光伏提水泵站科學(xué)化的根本目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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