可移動(dòng)式光伏提水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)
——以湘潭為例

劉陽京，鐘 永，劉偲艷

（湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院光伏發(fā)電系統(tǒng)控制與優(yōu)化湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411104）

近幾年來，受厄爾尼諾現(xiàn)象的影響，我國(guó)高溫少雨天氣持續(xù)時(shí)間越來越長(zhǎng)，極大影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，2022 年我國(guó)因干旱災(zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失210 億元。湖南湘潭是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，主要生產(chǎn)糧食作物是水稻，據(jù)相關(guān)部門2022 年9 月份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021 年極端的高溫干旱氣候造成該市至少24 600 余畝（1 畝約等于667 m2）水稻田受災(zāi)，僅湘潭縣一個(gè)縣，因?yàn)?zāi)造成農(nóng)業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失約4 700 萬元。

湘潭地區(qū)稻田灌溉一般采用交流電灌溉，部分農(nóng)田附近無輸電線路，有時(shí)抽水灌溉需要自行安裝電表，并需接數(shù)百米長(zhǎng)的電線，而電線長(zhǎng)期經(jīng)過戶外風(fēng)吹日曬雨淋，容易表皮破損，存在一定的安全隱患。若架設(shè)電網(wǎng)，則成本高。我國(guó)高溫干旱期一般都在夏季，而夏季太陽能資源最好，相對(duì)于柴油機(jī)抽水，光伏灌溉經(jīng)濟(jì)效益高、技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯[1]?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有的光伏提水灌溉設(shè)備一般靠近灌溉水源，以固定安裝形式建造，但水稻田所需灌溉時(shí)間段為每年3—10 月，其他月份基本不需要灌溉，且光伏提水灌溉系統(tǒng)在高溫干旱天氣下工作強(qiáng)度較大，而平時(shí)工作時(shí)間較短，長(zhǎng)時(shí)間將光伏提水灌溉系統(tǒng)放置于戶外，易造成能源浪費(fèi)；同時(shí)在干旱需水灌溉季節(jié)，固定安裝形式的光伏提水灌溉系統(tǒng)無法靈活救急灌溉其他地段農(nóng)田，造成灌溉成本增加。綜合以上原因，該文研究設(shè)計(jì)一種移動(dòng)式光伏提水灌溉系統(tǒng)，在需要灌溉時(shí)使用，不需要時(shí)，可以放置在村委會(huì)空曠處，白天儲(chǔ)電，夜晚可為村委會(huì)照明系統(tǒng)供電。該系統(tǒng)以湘潭市湘鄉(xiāng)翻江鎮(zhèn)洪門村為試驗(yàn)示范，期望能夠在湖南省內(nèi)推廣使用。

1 項(xiàng)目地地理信息及氣象資源

該系統(tǒng)主要用于雙季水稻田灌溉。項(xiàng)目試驗(yàn)示范地地理位置為北緯27.838 58°，東經(jīng)112.191 718°，海拔50 m。

該地氣象資源通過meteonorm 軟件獲得，太陽能資源數(shù)據(jù)信息來源于1991—2010 年，溫度數(shù)據(jù)信息來源為2000—2009 年。各月各項(xiàng)氣象數(shù)據(jù)詳細(xì)值如圖1 所示。該圖體現(xiàn)了湘潭地區(qū)水平面總輻射量（Gh）、水平面散射輻射量（Dh），法向直接輻射量（Bn）、平均最高氣溫（Ta）、最低溫度（Td）和風(fēng)速（FF）數(shù)據(jù)。

圖1 項(xiàng)目地每月氣象資源信息

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察調(diào)研，該村的水稻田區(qū)域旁有一條小河，河水清澈，干旱季節(jié)水源不會(huì)干涸，有充沛水量，因此可確定該系統(tǒng)水源為河水。旱季水源最低水位至水田垂直高度為5 m，水源距離水田最近點(diǎn)水平距離為10 m，水田附近無大面積空曠場(chǎng)地和蓄水池。

2 功能需求

經(jīng)過與村委會(huì)交流，要求該系統(tǒng)可用于每年3—10月灌溉時(shí)間段，陰天及夜晚也要能夠抽水灌溉，能夠滿足連續(xù)2 個(gè)陰天灌溉需求，單個(gè)系統(tǒng)每日抽水量夏季最大為40 m3。為提高系統(tǒng)場(chǎng)地適用多樣性，整體系統(tǒng)需采用移動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建設(shè)地不修建蓄水池。

3 組成設(shè)計(jì)

根據(jù)SL 540—2011《光伏提水工程技術(shù)規(guī)范》描述，光伏提水工程由光伏組件、支架、基礎(chǔ)、蓄電池組（如有）、控制系統(tǒng)、光伏提水專用水泵、取水建筑物、輸水管線、蓄水池（如有）、用水終端和安全防護(hù)網(wǎng)等組成[2]。因該系統(tǒng)的可移動(dòng)式屬性，結(jié)合考慮整體系統(tǒng)成本，根據(jù)該項(xiàng)目前期功能需求，該系統(tǒng)由光伏陣列、移動(dòng)式支架、蓄電池組、控制系統(tǒng)、光伏水泵和輸水管線組成。該系統(tǒng)最終電氣組成如圖2 所示。

圖2 光伏提水灌溉系統(tǒng)電氣組成

4 電氣組成選型設(shè)計(jì)

4.1 光伏水泵選型設(shè)計(jì)

4.1.1 光伏水泵類型的確定

光伏水泵包括電機(jī)和水泵2 部分[3]。水泵電機(jī)按照驅(qū)動(dòng)電流可以分為交流水泵電機(jī)和直流水泵電機(jī)。交流水泵電機(jī)需要光伏組件經(jīng)過逆變之后才能驅(qū)動(dòng)，在系統(tǒng)組成上需增加逆變器部件，會(huì)降低系統(tǒng)整體效率，因此該系統(tǒng)選用直流水泵電機(jī)。直流水泵電機(jī)按結(jié)構(gòu)和工作原理又分為無刷和有刷直流電機(jī)2 種類型[4]，無刷直流水泵電機(jī)較有刷電機(jī)，其使用壽命長(zhǎng)，廣泛應(yīng)用于當(dāng)前光伏水泵行業(yè)，最終確定該系統(tǒng)的水泵電機(jī)為無刷直流電機(jī)。

水泵按照工作原理，主要分為離心泵和容積泵2種[5]。離心泵靠離心力工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪聲低，效率較高，相較容積泵體積小和重量輕，維護(hù)方便，價(jià)格便宜。離心泵又包含自吸泵、潛水泵等種類，自吸泵一般安裝于水面以上，占用面積大，第一次使用需要充水啟動(dòng)，操作較復(fù)雜；潛水泵一般安裝于水面之下，安裝面積較小，體積小重量輕的潛水泵移動(dòng)方便，便于攜帶，適用于該項(xiàng)目所需的移動(dòng)式設(shè)計(jì)。容積泵價(jià)格較貴，噪聲大，適用于高揚(yáng)程、小流量場(chǎng)合，高山峽谷地帶更適合選擇該類型水泵。該項(xiàng)目適用地旱季水源最低水位至水田垂直高度為5 m，揚(yáng)程小，水源為地表河水，所以選擇離心泵中的潛水泵更加適合。潛水泵一般情況下電機(jī)和水泵集成，該項(xiàng)目選擇光伏水泵的類型為無刷直流潛水泵。

4.1.2 光伏水泵參數(shù)的選擇

光伏水泵的選型參數(shù)主要考慮流量、揚(yáng)程、功率3個(gè)方面[6]。

1）流量。水泵的流量根據(jù)用戶需求和考慮建設(shè)地太陽能資源來確定。根據(jù)流量計(jì)算公式可以獲得該系統(tǒng)的最大流量。計(jì)算公式如下

式中：Q為流量，m3/h；Qr為日灌溉需水量，m3；t峰值日照為平均峰值日照小時(shí)數(shù)，h；η 為系統(tǒng)效率。

夏季太陽能資源好，蒸發(fā)量高，水稻田需水量大，夏季日灌溉量達(dá)到最大，按照要求需水量需達(dá)到40 m3，利用meteonorm 軟件獲得該地月平均峰值日照小時(shí)數(shù)，具體如圖3 所示，從圖中可以看出，7 月份平均峰值日照小時(shí)數(shù)最大，為5.23 h。

圖3 湘潭日均峰值日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

因?yàn)樵撓到y(tǒng)使用了蓄電池，系統(tǒng)效率較無蓄電池系統(tǒng)會(huì)有所降低，所以系統(tǒng)效率此處選擇0.72，計(jì)算得出該系統(tǒng)光伏水泵流量為10.63 m3/h。

2）揚(yáng)程。光伏水泵的揚(yáng)程指的是光伏水泵能夠揚(yáng)水的高度，用H表示，根據(jù)項(xiàng)目需求不同，其揚(yáng)程要求也不同。該系統(tǒng)具體計(jì)算公式參照SL 540-2011《光伏提水工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)范，具體公式見式（2）和式（3）。

式中：H1為水泵出水口處水位到管道輸出口水位的垂直高差，m；△H1為沿程水頭損失，m；△H2為局部水頭損失，m；Q為管段計(jì)算流量，m3/h；d為管內(nèi)徑，mm；L為計(jì)算管段長(zhǎng)度，m；f，m，b為系數(shù)，具體值參考SL 540—2011《光伏提水工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)范4.6.2 要求。水泵出水口管材選用PVC 軟管，管內(nèi)徑大于8 mm，可以確定f、m、b系數(shù)值分別為0.505，1.75 和4.75。

因該系統(tǒng)僅將出水管道直接接入稻田中灌溉，無多余三通、彎頭等，因此局部水頭損失此處按照最低損失率5%計(jì)算。管道長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，考慮預(yù)留量，設(shè)定最長(zhǎng)50 m，垂直距離現(xiàn)場(chǎng)勘察為5 m，則該系統(tǒng)光伏水泵的揚(yáng)程為5+2.6+0.12=7.72 m，考慮一定的余量，該項(xiàng)目揚(yáng)程可以設(shè)定為10 m。

3）功率。根據(jù)SL 540—2011《光伏提水工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)范給出的公式，將公式合并后，光伏水泵的峰值功率計(jì)算公式見式（4）。

式中：Npf為光伏水泵峰值功率，W；ρ 為水密度，kg/m3，該值為103kg/m3；g為重力加速度，m/s2，該值為9.8 m/s2；Qmax為光伏水泵峰值流量，m3/h;H為光伏水泵系統(tǒng)總揚(yáng)程，m，該項(xiàng)目計(jì)算值為10 m；k1為流量修正系數(shù)，該項(xiàng)目選定水泵流量大于10，該值取為0.85；k2為光伏水泵類型修正系數(shù)，水泵選型為離心泵，取0.85；k3為電力傳動(dòng)形式修正系數(shù)，該系統(tǒng)為直流系統(tǒng)，取0.80。將各數(shù)值代入計(jì)算，得出參考光伏水泵峰值功率為501 W。

綜合流量、揚(yáng)程、功率計(jì)算結(jié)果，最終選擇臺(tái)州韻德制泵公司的24 V、500 W、直徑50 mm 的光伏直流無刷智能潛水泵，該水泵具體參數(shù)見表1。

表1 選用光伏水泵具體參數(shù)

4.2 光伏陣列選型設(shè)計(jì)

4.2.1 光伏陣列裝機(jī)容量確定

光伏陣列裝機(jī)容量跟使用地的太陽能資源及支架的安裝方式有關(guān)[7]。項(xiàng)目光伏支架采用手動(dòng)調(diào)節(jié)支架角度的方式來獲得更多的太陽能資源，發(fā)出更多的電，以相對(duì)較小容量匹配選定光伏水泵功率。計(jì)算公式見式（5）。

式中：N為光伏陣列的裝機(jī)容量，W；Npf為光伏水泵峰值功率，W；k4為太陽能資源修正系數(shù)，項(xiàng)目地太陽能資源年總太陽能輻射量為1 122 kWh/m2，該值定為0.6；k5為光伏陣列跟蹤太陽修正系數(shù)，該項(xiàng)目采用手動(dòng)調(diào)節(jié)支架角度以求獲得最大輻照量，等同于單軸跟蹤，該值定為單軸跟蹤系數(shù)的最小值1.1。經(jīng)過計(jì)算，匹配選定光伏水泵的光伏陣列裝機(jī)容量為1 100 W。

4.2.2 光伏組件選型設(shè)計(jì)

當(dāng)今主流光伏組件選用的材料為單晶硅，主流功率為550 W 以上，尺寸大概為2 279 mm×1 134 mm×35 mm（不同廠家有所區(qū)別）。若使用大尺寸的光伏組件，則單個(gè)光伏組件重量重，面積大，不便于攜帶。根據(jù)該系統(tǒng)的可移動(dòng)式特性，光伏組件選型時(shí)，盡量選擇高效、尺寸小、輕便的光伏組件。通過對(duì)比，最終確定該系統(tǒng)光伏組件選型為晶科JKM370N-6TL3-B N 型單晶硅光伏組件，光伏組件的效率為21.24%，最大系統(tǒng)電壓為1 000 V，其他詳細(xì)參數(shù)見表2。根據(jù)光伏陣列功率要求，則最終確定選擇3 塊該類型光伏組件，光伏陣列容量為1 110 W，因光伏水泵工作電壓為24 V，為獲得較大的電流給蓄電池組充電，因此3 塊光伏組件的連接方式確定為3 塊并聯(lián)，電壓和電流都能滿足系統(tǒng)要求。

表2 選用光伏組件具體參數(shù)

4.2.3 光伏陣列角度設(shè)計(jì)

光伏陣列通過光伏支架支撐，其傾角即為支架的傾角，光伏陣列的方位角確定為正南方向，即0°，該方位太陽能輻照度最大。因該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，一年夏季和冬季可調(diào)節(jié)2 次支架角度為最佳傾斜角來獲得系統(tǒng)最大發(fā)電量。根據(jù)PVSYST 模擬，該地不同季節(jié)最佳傾角見表3 和表4，從表中選擇最高輻射量對(duì)應(yīng)的傾斜角度，為讓占地面積較小，選擇同一輻射量對(duì)應(yīng)的角度范圍里最大的角度，確定夏季光伏陣列最佳傾角為8°，冬季光伏陣列最佳傾角為37°。

表3 夏季（4—9 月）對(duì)應(yīng)最佳傾角信息表

表4 冬季（10 月—次年3 月）對(duì)應(yīng)最佳傾角信息表

4.3 蓄電池組選型設(shè)計(jì)

在陰天情況下，光伏組件基本上不發(fā)電，該套系統(tǒng)的電力來源基本上全部來自于蓄電池。根據(jù)要求，該系統(tǒng)需要滿足連續(xù)2 個(gè)陰天灌溉需求。根據(jù)前期計(jì)算，滿足日最大灌溉量40 m3的選定，光伏水泵流量為12 m3/h，蓄電池作為穩(wěn)定電源，滿負(fù)荷工作時(shí)長(zhǎng)為3.34 h 即可滿足要求灌溉量。蓄電池組的工作電壓為光伏水泵工作電壓24 V，蓄電池組的容量根據(jù)公式（6）計(jì)算得出。

式中：C為蓄電池組容量，Ah；Npf為光伏水泵峰值功率，W；t工作時(shí)間為光伏水泵每日工作時(shí)間，h；t連續(xù)陰天數(shù)為要求能夠使用連續(xù)陰天數(shù)，d；V蓄電池組為蓄電池組工作電壓，V；η放電深度為蓄電池允許放電最大深度。

蓄電池類型從經(jīng)濟(jì)和使用壽命角度考慮，選擇太陽能專用膠體電池。該類蓄電池工作環(huán)境溫度范圍寬，浮充設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)，價(jià)格較鋰電池便宜。因該蓄電池支持深度放電，所以放電深度選擇0.8，經(jīng)過計(jì)算，適合該系統(tǒng)的蓄電池組容量為174 Ah。光伏水泵的直流工作電壓為24 V，選擇單體12 V/90 Ah 的太陽能膠體電池，單個(gè)太陽能膠體電池的長(zhǎng)、寬、高尺寸為328 mm×172 mm×235 mm，則蓄電池組由4 塊該型號(hào)蓄電池2 串2 并即可，最終確定蓄電池組的電壓為24 V，容量為180 Ah。

4.4 光伏控制器選型

該光伏灌溉提水系統(tǒng)通過光伏控制器可以實(shí)現(xiàn)任何時(shí)刻蓄電池給光伏水泵提供穩(wěn)定的電源；而蓄電池白天通過光伏陣列對(duì)其充電。為使該系統(tǒng)光伏陣列發(fā)電量最大，控制器還需要具備MPPT 功能，并具有保護(hù)蓄電池的作用。光伏水泵的工作電壓為24V，因此可以確定該系統(tǒng)光伏控制器的工作電壓也為24 V，為便于該系統(tǒng)應(yīng)用于多種場(chǎng)合，能控制多種電壓等級(jí)的光伏直流水泵，在此選擇多類別電壓等級(jí)的光伏控制器。該系統(tǒng)光伏水泵滿負(fù)荷工作時(shí)，其工作電流為20.84A，因此該控制器的額定放電電流必須要大于20 A；光伏陣列白天給蓄電池組充電，3 塊光伏組件以并聯(lián)的形式連接，其工作電流為31.86A。

根據(jù)電壓和電流要求，該系統(tǒng)光伏控制器選擇JRF-M4096Z 型號(hào)光伏控制器，該光伏控制器MPPT 功率跟蹤效果可以達(dá)到99.5%，具有短路、溫度、過壓、過流、過充、過放、防反和過載等功能，其他參數(shù)詳見表5。

表5 選用光伏控制器具體參數(shù)

4.5 移動(dòng)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

為使用便捷，將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備集成在一個(gè)移動(dòng)結(jié)構(gòu)件上，該移動(dòng)結(jié)構(gòu)件一方面起到移動(dòng)運(yùn)輸各組成的作用，同時(shí)光伏陣列的支架也集成在該構(gòu)件上，通過每年調(diào)節(jié)2 次支架傾斜角度以獲得采光面最大的太陽能輻射量。因系統(tǒng)各組成部分有一定的重量，占用一定的體積，所以設(shè)計(jì)該移動(dòng)結(jié)構(gòu)件為框架式結(jié)構(gòu)，并具有調(diào)節(jié)支架功能。光伏組件傾角調(diào)節(jié)通過伸縮式光伏支架來實(shí)現(xiàn)，中部和后端的立柱采用伸縮式支架結(jié)構(gòu)，一年調(diào)節(jié)2 次。3 塊光伏組件之間通過合頁來進(jìn)行連接，平時(shí)不用時(shí)，兩側(cè)的光伏組件放在兩側(cè)；使用時(shí)，到目的地后，再展開兩側(cè)光伏組件。

整個(gè)系統(tǒng)三維效果圖如圖4 所示。

圖4 可移動(dòng)式光伏灌溉系統(tǒng)三維效果圖

5 結(jié)束語

該移動(dòng)式光伏提水灌溉系統(tǒng)具有集中、便攜、可擴(kuò)展性，能夠很好地解決現(xiàn)有部分水稻田無輸電線路取電，灌溉困難且用電不安全問題；同時(shí)也能方便移動(dòng)，靈活應(yīng)用于多地灌溉；每年10 月到第二年的3 月之間，可統(tǒng)一移動(dòng)到空曠處，接入國(guó)家電網(wǎng)售電或?yàn)榇逭彰飨到y(tǒng)服務(wù)，最大限度地利用太陽能，節(jié)約能源。單套系統(tǒng)每天可灌溉抽水40 m3，在湘潭地區(qū)，旱季能救急灌溉50 畝水稻田，解決旱季水稻田缺水造成的減產(chǎn)，保糧增產(chǎn)，助力鄉(xiāng)村振興。