1光伏抽水技术概述偏远气候干旱地区的水资源与电力供应情况对居民的生活生产及经济发展具有重要影响。供水所需能量主要依靠电网电力或油机驱动供水水泵提供。采用燃油作为能源驱动供水系统时，运维成本较高且消耗化石能源会带来生态环境问题。随着光伏发电技术的效率提高、投资运行成本不断降低和生态环保优势扩大，结合太阳能发电的光伏抽水系统得到快速发展。光伏发电技术的运维成本低，可以实现全自动无人值守，适用于偏远地区供水工程，在解决用水用电问题方面发挥重要的作用[1]。2022年5月中共中央办公厅、国务院办公厅印发《乡村建设行动实施方案》，要求乡村建设取得实质性进展，农村人居环境得到持续改善，实施清洁能源建设工程，探索在乡村建设低碳分布式的多能互补综合能源利用结构。光伏抽水系统在偏远乡村地区有了更大的发展空间。结合农村的经济发展现状、结构调整需求以及计算机、半导体、物联网、通信、自动控制、电力电子设备等技术的迅速发展，提高太阳能抽水系统智慧化水平、合理匹配系统与需求成为未来光伏抽水系统研究和发展的主要方向。（1）人工智能化。使用自控模型实现更智能的无人值守全自动控制，改变传统的人工抽水用水模式。（2）节能环保化。随着太阳能发电及电力电子设备、产品加工工艺技术的进步，设计理念的更新，更多节能低功耗的产品及节能控制措施、节能环保设计方案将被广泛应用。（3）系统配置精准化。充分考虑用水需求、自然资源条件、资金等因素，提出系统性的配置解决方案。（4）智慧网络化。应用物联网技术、通信技术、网络技术及大数据，实现供水系统的预测供需预演效果，为系统配置决策提供帮助，实现智慧化发展。2光伏抽水系统应用现状不同建设地点的自然资源和气象条件不同。地形地貌、周边环境、地质条件、外部通信条件、道路交通状况、光伏方阵安装朝向、规模以及支架安装形式等因素均对光伏抽水系统的应用效果具有较大影响，部分工程建设实例的应用达不到预期效果。实际应用过程中，水源水质较差导致系统供水可靠性差、维护成本高，无法长期稳定运行；流量与用水需求不匹配时，水源流量变化与太阳能辐射变化会引起系统供水保障率低下；系统选用的光伏组件、水泵、逆变器之间匹配不合理，使系统不能够充分发挥作用；管理人员能力不足可能导致运行维护缺失，系统智能控制有欠缺导致整体效率不高；新能源电源不稳定导致水锤效应频繁发生，对水泵及管道造成破坏[2]。3应用实例研究区为渭北淳化县黄土高原的南缘某村，当地的耕地灌溉率不足，水利设施建设亟须更新。村庄北部沟内常年有径流，季节性常流量约0.011 m³/s，沟宽约50~150 m，沟底溪流至塬面的高差约150 m。研究区采用先进的太阳能泵站技术，可以一定限度地缓解村内生产生活用水问题。项目拟安装一套光伏提水系统，每小时抽水量为13 m³，晴朗日供水量为30 m³。抽水系统距离塬面的水平距离约300 m，供水管线的长度约1 500 m。3.1系统构成系统采用太阳能独立供电系统，光伏水泵供水系统的组成包括取水前池、滤水构筑物、下蓄水池、光伏提水专用水泵、阀门井、输水管线、上蓄水池、用水终端、光伏电池组件、光伏支架、组件基础、控制系统、安全防护设施等[3]。3.2太阳能资源分析项目所在地位于渭北淳化县黄土高原的南缘，属暖温带大陆性季风气候。平均年日照时数为2 372.7 h。年平均气温9.8 ℃，极端最低气温和极端最高气温分别为-21.3 ℃和39.4 ℃。年平均降水量约600 mm，无霜期183 d。灾害性天气主要有冰雹、霜冻、寒潮及干热风等。大部分偏远地区无实测气象数据，常采用卫星数据分析太阳能资源。初步分析对比NASA、Solargis及Meteonorm数据库辐射数据在当地的适用性，采用Meteonorm数据库数据进行资源分析，代表年数据采用多年平均法处理[4]。项目地太阳能辐射量及气象数据统计如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.005.T001表1项目地太阳能辐射量及气象数据统计项目水平面辐射量/(kWh/m2)温度/℃风速/(m/s)大气浑浊因子相对湿度/%总辐射量散射辐射量年平均值1 277.1777.710.92.306.22658.61月66.935.2-3.72.215.47855.42月77.748.30.22.306.68755.63月110.766.97.12.507.27744.34月134.882.613.02.707.06445.75月146.085.017.72.596.34049.76月131.191.521.52.396.09155.97月156.093.523.62.496.04263.18月138.382.221.72.306.52270.49月103.164.016.42.196.06577.710月83.954.211.12.106.31969.411月63.540.64.32.205.81561.012月65.133.7-2.02.195.01354.6项目地水平面总辐射量如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.005.F001图1项目地水平面总辐射量项目地全年太阳总辐射量1 277.1 kWh/m²。根据气象行业标准《太阳能资源评估方法》（GB/T 37526—2019），判断太阳能资源丰富程度等级为丰富，水平面太阳总辐射稳定度为0.43，稳定度等级为稳定，满足建设太阳能独立供电光伏水泵供水系统的要求。3.3水源分析水源季节常流量约0.011 m³/s，日流量约950 m³，水量满足需水要求。水源通常清澈见底，泥沙含量很低，但水源在阴雨天的含泥沙量较大，目视浑浊，需要实施防泥沙措施。4光伏抽水系统方案设计根据系统用水需求、水资源情况、太阳能资源情况、外围条件以及设备、产品、材料的技术参数，综合确定机组、光伏组件、控制系统、引蓄水系统等的系统方案。4.1机组选型及相关参数根据系统的流量及扬程范围，光伏水泵的形式拟定为离心泵，总计1台。结合项目所在地的水源情况选择参数，水泵过流量需满足供水变化要求，高效率区合理选择供水流量、扬程变化范围，帮助水泵系统获得较高的供水收益；综合考虑系统成本，合理选择设备参数，从而降低造价。不同工况时的水泵参数对比如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.005.T002表2不同工况时的水泵参数对比项目工况1工况2工况3集水井有效容积/m³505050水泵流量/(m³/h)131313泵出口直径/m0.0650.0700.050出水管长度/m2 0002 0002 000管道水流流速/(m/s)1.090.941.84沿程阻力系数0.0250.0250.025沿程水头损失/m46.4832.09172.57蝶阀阻力系数0.50.50.5弯头阻力系数0.170.170.17局部阻力系数1.011.011.01管道局部损失/m0.080.060.23管路总水头损失/m31.0221.42115.11供水水位/m150150150抽水水位/m000排水管出口流速水头/m0.080.060.23泵需要扬程/m196.60182.18322.92水泵总扬程为水池最低运行水位、地形高差、服务水头、沿程水头损失及局部水头损失之和。考虑选型误差及管路具体长度，水泵额定扬程拟定190 m，出水口管径DN65。综合光伏水泵参数及水泵运行曲线，选取潜水光伏水泵，三相380 V，功率15 kW。水泵性能参数选择如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.11.005.T003表3水泵扬程选择型号功率/kW电流/A流量/(m3/h)051015172025-127.517132124117105998451-159.22116515514613112410564-18112419818617515714812676-21132823121720518417314789-241532264248234210198168102-3018.540330310292262247210127-362246396372351315297252153-432654464444419376355301183m4.2光伏系统容量Nsf=13 600ρgQmaxH (1)式中：Nsf——光伏阵列最大峰值水功率，W；ρ——水的密度，kg/m³；g——重力加速度，m/s2；Qmax——水泵峰值流量，m3/h；H——抽水系统总扬程，m。光伏抽水系统总扬程为190 m，水泵峰值流量为13 m³/h，光伏阵列最大峰值水功率为6 724 W。NPf=Nsfk1k2k3 (2)式中：NPf——系统水泵峰值功率，W；k1——流量修正系数；k2——提水机具修正系数；k3——电力传动修正系数。流量修正系数取0.85，提水机具修正系数取0.90，电力传动修正系数取0.70，光伏提水系统水泵峰值功率12 557 W，选取规格为15 kW的光伏水泵可满足需求[5]。考虑成本、后期运维费用以及系统对可靠性、稳定性等因素的要求，光伏电池组件采用固定式支架安装。N=Npfk4k5 (3)式中：N——光伏阵列容量，W；k4——太阳能资源修正系数；k5——支架修正系数。太阳能资源修正系数取0.7，支架修正系数取1，光伏阵列的容量为17 938 W。考虑组件效率衰减及系统效率时，分别取0.95及0.85系数，光伏阵列容量22 214 W。项目可以选用260 W多晶硅太阳能电池组件，将每个组串与逆变器匹配，采用22块电池组件，共需4个电池组串。为了充分提高供水保障率，根据各月典型日的日照曲线模拟仿真计算优化，选取阵列倾角角度为32°[6]。4.3水泵动力控制系统配置一台逆变器将光伏组件的直流电转化为0.4 kV交流电，为水泵机组负荷供电，直流侧超配1.1倍，选择20 kW逆变器。根据电源情况，水泵采用变频启动方式，变频器容量按照1.1~1.2倍配置，系统容量为18.5 kW的变频器；动力控制系统依据泵的启停信号、蓄水池内水位信号、系统保护等条件，控制水泵启停[7]。4.4引蓄水系统引水端进水口被设置在河道正中，河道局部进行扩大处理，使用管道开梅花孔包裹透水土工布方式过滤泥沙，引入下蓄水池，下蓄水池容量为50 m3，池后设置1座阀门井，与村中现有1座100 m3蓄水池共同作为上蓄水池，上下池间敷设DN65管道，系统抽水通过管道注入上池。4.5系统防雷、接地光伏抽水系统设备均安装在沟内，且安装高度较低，系统内不再设置防直击雷措施。场内接地系统设置一个统一的复合接地网，敷设水平接地体并辅以垂直接地体，充分利用各基础内的钢筋作为自然接地体，将太阳能电池组件支架、变频器、逆变器、太阳能板金属边框、配电箱、设备支架等组件与接地网相连，接地电阻不超过4 Ω。4.6系统节能对整体方案进行充分比较并优化，充分考虑节能的要求，选择节能设备及材料。总平面布置工作实现建构筑物布局紧凑合理、节约占地、节约原材料、减少土方等。5结语偏远地区可以建设光伏抽水系统，以缓解缺水缺电问题。在科技快速发展、新产品不断涌现、产品更新换代快的背景下，应充分研究产品的性能参数，同时比较其经济合理性，并考虑工程地质、气象、水文以及当地文化、经济等众多因素，使光伏抽水系统得到有效应用。