北方牧區(qū)新能源供水泵站技術(shù)研究

王世鋒，侯詩文，曹 亮

(水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特 010020)

0 引 言

牧區(qū)人居分散，電網(wǎng)建設(shè)因線損高、效益低，目前絕大多數(shù)地區(qū)處于無電網(wǎng)現(xiàn)狀。這些地區(qū)非常適合建設(shè)風(fēng)能、太陽能為動力的供水泵站。根據(jù)不同典型牧區(qū)的特點，將風(fēng)能太陽能系統(tǒng)與供水系統(tǒng)相集成，在牧區(qū)水源、水質(zhì)相對較好地區(qū)采用新能源分散供水即高位水箱重力供水或壓力罐供水一家一戶的供水模式；在水資源匱乏的地區(qū)解決牧區(qū)利用深層地下水，采用集中供水的供水模式。并將現(xiàn)代控制技術(shù)與供水系統(tǒng)相集成，實現(xiàn)全天候、高保證率、自動供水技術(shù)。

在我國牧區(qū)、欠發(fā)達(dá)農(nóng)村、山區(qū)及邊防哨所等地區(qū)，由于多數(shù)地處高寒、人居分散，飲水水源埋深深，由于這些地區(qū)環(huán)境特殊和微小的供水量，至今人畜安全飲水問題未得到解決，其原因是缺乏適用的、經(jīng)濟(jì)的成套技術(shù)解決方案。本文的提出我國新能源微小型供水模式，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的飲水困難問題，實現(xiàn)人畜自來水化供水。為這些地區(qū)提供因地適宜的供水技術(shù)方案意義重大。牧區(qū)人畜供水工程是我國水利建設(shè)的一項重要內(nèi)容，牧區(qū)供水事業(yè)的發(fā)展，直接關(guān)系到該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，也是為農(nóng)村牧區(qū)水利現(xiàn)代化建設(shè)及我國全面部署實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略提供技術(shù)支撐。

1 供水泵站風(fēng)能太陽能容量確定

1.1 太陽能設(shè)備容量的計算

太陽能供水泵站裝機(jī)容量的計算表達(dá)式為：

(1)

式中：N為光伏系統(tǒng)容量，W；ρ為水密度，kg/m2；g為主力加速度，m/s；Qmax為水泵峰值流量，m3/h；H為揚(yáng)程，m；k1為流量修正系數(shù)；k2為水泵型式修正系數(shù)；k3為電力傳動修正系數(shù)；k4為太陽能資源修正系數(shù)；k5為光伏陣列跟蹤修正系數(shù)。

公式中修正系數(shù)見《光伏提水工程技術(shù)規(guī)程》中4.7。

1.2 風(fēng)能設(shè)備容量確定

風(fēng)力發(fā)電供水機(jī)容量按下列公式確定。

(2)

式中：Qz為日供水量，m3；t為風(fēng)力機(jī)滿負(fù)荷工作小時數(shù)(4～6 h)，h；P為風(fēng)力機(jī)功率，W；η1為水泵效率，%；η2為發(fā)電機(jī)效率，%。

2 風(fēng)能太陽能供水模式

2.1 分散供水模式

牧區(qū)分散供水模式適用于居住分散地下水量相對充沛、埋深較淺的地區(qū)。采用一家一戶的分散供水形式。牧區(qū)分散式供水水源多為管井、大口井、輻射井、滲渠、截伏流、泉室、水窖等取水構(gòu)筑物，取水水源主要是淺層地下水和局部地表水。

2.2 集中供水模式

牧區(qū)集中供水模式適用于牧區(qū)人畜飲水以地下水為主，這些區(qū)域的地下水一般埋深較深，水源井深約80～150 m，水質(zhì)好，水量相對充沛，涌水量2～10 m3/d的地區(qū)。

2.3 風(fēng)能供水泵站模式研究

適合年平均風(fēng)速大于等于2.5 m/s，年平均有效風(fēng)能密度大于等于300 W/m2，年有效風(fēng)速小時數(shù)大于3 000 h的干旱、大風(fēng)的牧區(qū)。北方牧場80%的地區(qū)可使用風(fēng)能作為動力的牧場供水模式。

牧場風(fēng)能供水系統(tǒng)由以下部分組成(圖1)：取水建筑物、風(fēng)力機(jī)(或風(fēng)力發(fā)電機(jī))、控制系統(tǒng)、提水裝置(泵)、輸水管線、用戶、蓄水池。

圖1 風(fēng)能供水泵站示意圖

2.4 太陽能供水泵站模式

適用于山區(qū)、風(fēng)速小、海拔高、嚴(yán)寒的牧區(qū)，太陽能資源：年平均日照小時數(shù)不小于2 200 h；年平均總輻射量不小于1 400 kWh/(m2·a)。極限最低溫度-40 ℃，極限最高溫度+60 ℃。50年一遇的最大風(fēng)速不大于50 m/s。

太陽能供水泵站由以下部分組成(圖2)：太陽電池板、支架、基礎(chǔ)、蓄電池組(如有)、控制系統(tǒng)、水泵、取水建筑物、輸水管線、蓄水池(如有)、用水終端、安全防護(hù)網(wǎng)等。

1-水源；2-提水主泵；3-光伏系統(tǒng)；4-轉(zhuǎn)換開關(guān)；5-上游水管；6-蓄水池；7-裝車輔泵；8-下游水管；9-運(yùn)水車圖2 太陽能供水系統(tǒng)示意圖

2.5 風(fēng)光互補(bǔ)供水泵站模式

太陽能資源Ⅱ類及以上可利用地區(qū)，年平均風(fēng)速大于3 m/s以上牧區(qū)地區(qū)，均可適用風(fēng)光互補(bǔ)牧區(qū)供水泵站模式。

北方牧區(qū)，太陽能夏季大，冬季小，而風(fēng)能夏季小，冬季大，所以可利用風(fēng)能太陽能兩者的變化趨勢基本相反地自然特性，揚(yáng)長避短，相互配合，發(fā)揮出可再生資源的最大效應(yīng)。同時單一電源因資源在時、空、量、序上的隨機(jī)性，引起出力不均，其互補(bǔ)發(fā)電不但比單一發(fā)電更高效、可靠、經(jīng)濟(jì)，更重要的是互補(bǔ)后出力穩(wěn)定。

風(fēng)能太陽能互補(bǔ)供水模式由水源(機(jī)井)、風(fēng)力提水機(jī)組、太陽能動力系統(tǒng)、控制器、輸配水管網(wǎng)、水泵、蓄水池組成(圖3)。

圖3 風(fēng)能太陽能供水泵站組成示意圖

3 實例分析

以內(nèi)蒙古某地建設(shè)的一個太陽能為動力供水泵站模式為例，其每天的需水量為32 m3，要求水泵揚(yáng)程為100 m，額定流量為6 m3/h(太陽能提水泵站只有在額定功率點運(yùn)行時才能達(dá)到最大流量，絕大部分時間流量都在額定流量以下，一天工作8 h，折合滿負(fù)荷運(yùn)行時間5～6 h)。

3.1 代表日光資源分析

太陽能光伏提水系統(tǒng)，一般當(dāng)水平面輻射量達(dá)到或大于200 Wh/m2時，系統(tǒng)便可提水工作。而太陽能輻射量在一天中的變化規(guī)律是：由零到極值再由極值到零而變化的，不同地區(qū)只是變化數(shù)值不同而已。內(nèi)蒙古某地代表日水平面太陽能總輻射量日變化見表1和圖4。

表1 代表日水平面太陽能總輻射量日變化表 kWh/m2

圖4 代表日水平面太陽能總輻射量日變化

3.2 太陽能泵站裝機(jī)容量的確定

太陽能泵站的裝機(jī)容量主要取決于提水揚(yáng)程、流量和太陽能資源，同時也與水泵型式、傳動方式等因素有關(guān)。裝機(jī)容量的確定采用公式(1)進(jìn)行計算。

當(dāng)揚(yáng)程100 m，流量為6 m3時。需太陽能電池系統(tǒng)裝機(jī)容量為3.37 kWP。

3.3 代表日提水量

為保證供水的可靠性和工程的匹配性，采用日提水量計算確定裝機(jī)容量時，將理論值3.37 kWP修正為3.5 kWP(以下分析計算均采用該修正值)，依據(jù)該地區(qū)的太陽能資源計算得到日各時段的實際提水量如表2。

表2 代表日各時段提水量 m3

合計理論總提水量為32 m3，可滿足3 000 只羊,10戶牧民的飲水問題。

如果建設(shè)風(fēng)能供水泵站，根據(jù)用戶的日用水量，結(jié)合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源(不同風(fēng)能資源滿負(fù)荷小時數(shù)t取值不同)，通過公式(2)即可得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量；如果建設(shè)風(fēng)光互補(bǔ)供水泵站，單一能源提水存在連續(xù)無風(fēng)或者連續(xù)的陰雨天氣，根據(jù)《風(fēng)力提水工程技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，蓄水工程的設(shè)計容量不應(yīng)小于最大日用水量的3 倍。而風(fēng)能太陽能互補(bǔ)后按照《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，能源有可靠電源和可靠供水系統(tǒng)的工程，單獨(dú)設(shè)立的高位水池可按最高日用水量的20%～40%設(shè)計，相比之下大大降低供水工程的造價。通過建設(shè)地資源情況以及泵站整體經(jīng)濟(jì)性分析，合理分配太陽能提水、風(fēng)力提水的日提水量，確定了兩種能源分別需要滿足的日提水量后，通過公式(1)和公式(2)可計算出太陽能電池、風(fēng)力提水機(jī)的裝機(jī)容量。

4 供水泵站經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 項目的投資

風(fēng)力供水、太陽能供水、傳統(tǒng)柴油機(jī)供水單位千瓦造價(一次性投入)見表3。

4.2 總成本費(fèi)用

①年運(yùn)行費(fèi)見表4。②折舊費(fèi)見表5。③年運(yùn)行滿負(fù)荷小時數(shù)見表6。④單位千瓦時投資及千瓦時費(fèi)用見表7。

通過上述風(fēng)能供水、太陽能供水、內(nèi)燃機(jī)供水工程的經(jīng)濟(jì)性分析可知，1 kWh運(yùn)行費(fèi)用內(nèi)燃機(jī)>風(fēng)力提水>太陽能提水。

表3 供水設(shè)備單位千瓦造價 元

表4 年運(yùn)行費(fèi)用 元

表5 單位千瓦折舊費(fèi)用

表6 運(yùn)行滿負(fù)荷小時數(shù)

表7 單位千瓦時投資及千瓦時費(fèi)用

每立方提水成本內(nèi)燃機(jī)>風(fēng)力提水>太陽能提水。

5 結(jié) 語

發(fā)展牧區(qū)風(fēng)能太陽能供水泵站模式是解決牧區(qū)安全供水的一個有效途徑。采用風(fēng)能太陽能作為供水的能源動力可解決北方牧區(qū)電網(wǎng)未及問題。

通過對風(fēng)能太陽能轉(zhuǎn)化電能的計算、供水泵站模式的合理選擇，科學(xué)的匹配供水泵站中的各個部件，不僅能夠節(jié)約供水泵站成本，還可以增加泵站的運(yùn)行壽命、提高供水保證率。通過對案例的具體計算，體現(xiàn)了風(fēng)能太陽能供水泵站中具有很好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。也可為今后我國無電牧區(qū)建設(shè)風(fēng)能太陽能以及多能互補(bǔ)供水泵站提供參考與借鑒。

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