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农村饮水工程中光伏发电的运用探索

来源:原创论文网 添加时间:2019-01-21

摘要

  1、项目概况

  玉龙县大具乡一碗水村属少数民族聚居地, 地处玉龙雪山东部山区, 海拔高程3 150m, 属典型的灰岩地区, 水资源匮乏, 人民群众饮水困难, 缺水制约着山区人民的生存和发展, 社会稳定、民族团结问题突出。玉龙县一碗水村抗旱饮水工程为当地政府破解一碗水村501人的人畜饮水难题的重要项目, 设计供水流量19.3m3/h, 最高日供水量115.72m3/d, 年供水总量为2.82×104m3/a。

  水源位于项目区西北侧的已建2 000m3的调蓄水池, 高程3098m, 采用提水泵站、输水管道将水量提至拟建100m3高位水池。设计扬程为202m, 水泵型号ZPD25-30×7 (P) , 电机功率30kW, 输水管道采用DN80镀锌钢管, 长1.5km, 出水口高程3242m。项目地处贫困山区, 供配电及运行电费收取成为本项目需解决的难点。

  2、供配电比选方案

  2.1、供配电比选

  本项目距离泵站150m范围内有容量满足要求的10kV电网线路, 同时泵站位置处场地开阔, 无遮拦物, 光照强度高, 因此, 在供配电比选中主要采用电网供电、光伏发电及两用电相结合的方式进行。

  1) 方案一:电网供电

  属传统型能源, 管理、运行相对比较简单, 前期投资成本较低, 供水保证率较高。其缺点为运行电费高, 每年提水电费约为3.83×104元, 不利于贫困山区精准脱贫。

  2) 方案二:光伏发电

  属新型能源, 目前国家大力推广并相应扶持, 应用比较广泛, 是真正绿色环保的新型可再生能源;工程设计、安装和使用较传统电网供电系统更快捷, 经济性更好;政府一次性投资, 居民终生受益。根据国家对农村光伏发电扶持政策, 按照“自发自用, 余电上网”模式, 余电补贴费用基本能满足水泵运行管理维护人员工资及日常开支。其缺点为相对于常规电能提水泵站, 其前期建设投资成本高, 受地面太阳光热资源影响大, 运行过程中有间歇性, 供水保证率较低。

  3) 方案三:光伏发电和电网供电两用提水泵站

  该方案为电网供电和光伏发电相互取长补短, 互为备用。其优点为该方案选择的2种供电方式, 各自都运用广泛、技术成熟、管理方便;电网供电可以解决光伏发电地面运行间隙性弱点, 供水保证率高, 光伏发电可以解决电网供电运行费高的缺点, 使得运行成本费低, 供水水价低。其缺点为同时建设2种供电系统, 较单独建设1种供电系统投资高[3]。

  2.2、供配电确定

  电网供电和光伏发电都是可行的供电方式, 但是二者均不能同时满足低供水成本和高供水保证率要求。从投资、后期运行成本费用、供水保证率等方面进行比较, 同时结合项目区是玉龙县山区民族贫困村, 水资源对当地精准扶贫作用重大。本项目为政府一次性全额投资抗旱惠民工程, 工程的建设体现出政府部门对当地人民群众的关心, 虽然项目前期投入费用高, 但是后期运行成本低, 符合当地村民实际经济情况, 村民接受意愿高, 也便于今后的水费征收, 用于工程的后期运行维护, 使工程能发挥长久效益, 故采用光伏发电, “自发自用, 余电上网”, 电网供电作为备用电源[1]。

  3、项目选址对光伏发电的适应性分析

  根据场址太阳能资源资料及同期丽江气象站实测资料分析, 确定太阳能年均辐射总量为1 556kW·h/m2, 年日照时数2 464h;日照时数≥6h的年平均天数达260d以上。年日照数大于2 200h, 全年太阳辐射总量大于1000kW·h/m2, 太阳能资源稳定可靠, 适宜光伏发电。根据丽江气象站资料统计, 多年平均气温为12.6℃, 极值最高为32.3℃, 极端最冷天气为-11.6℃, 50a一遇的最大风速为27m/s, 满足光伏泵站建设要求。

  4、光伏发电设计

  4.1、光伏阵列容量确定

  本泵站属于高扬程泵站, 很难配套相应的一体式光伏提水水泵, 因此, 设计时将光伏组件及泵站独立分开, 根据水泵选型, 相应配套电机额定功率为30kW。

  光伏组件是整个系统的动力核心, 光伏组件的选型及配置是确定光伏水泵系统性价比的主要因数。根据太阳能电池的光强温度特性及寿命周期的性能演变特性, 光伏组件容量比水泵设计提水功率增大一定比例才是比较合理的配置。在云南大部分地区有约14%的温度损耗, 在实际应用中, 光伏组件系统损耗约8%, 光伏组件功率衰减损耗约20%, 其他影响因素约为5%, 以此确定光伏阵列容量为46kW[2]。

  4.2、光伏阵列最佳倾角、行间距的确定

  光伏阵列为固定式, 最佳倾角23°。行间距计算公式:

计算公式

  式中, Lb为行间距, 前排方阵前端到后排方阵前端的距离, m;L为组件垂直高度, m;γ为冬至日9:00太阳方位角, 经分析计算为124°;αz为太阳高度角, 经分析计算为13°;α为最佳倾角, 为23°。

  经计算并经修正取行间距Lb为1.75m。

  4.3、光伏发电设计

  光伏发电系统与泵站、余电并网接入方式详见图1光伏发电与泵站枢纽系统设计示意图。光伏发电系统主要包括光伏组件及方阵支架等构筑物。

光伏发电与泵站枢纽系统设计示意图
图1 光伏发电与泵站枢纽系统设计示意图

  1) 光伏组件。配置175W高效薄膜光伏组件260块, 26块串联组成一个子阵, 共10个子阵, 总功率46kW, 组件外形尺寸1 650mm×665mm×28mm, 按10×26排列, 方阵总长度约为18.2m, 宽度约为17.5m, 配套相应的10套汇流箱、1套直流柜、1套逆变器、1套升压系统, 占地约为400m2。

  2) 方阵支架等构筑物:方阵支架采用热镀锌钢支架, 采用螺丝钉连接, 具有连接方便可靠、便于调节、能在野外长期可靠工作的特点。支架能承重150kg/m2, 满足承受自身组件重量、风荷载、雨雪冰雹荷载等其他未能预见荷载。光伏方阵的最佳倾角为23°, 即在冬季得到最大的太阳辐射, 同时也满足基本上是全年得到辐射相对最大, 并有利于安装及利用雨水冲洗光伏组件表面的灰尘。

  方阵采用钢筋水泥桩作为基础, 水泥桩尺寸为φ0.4m×0.8m, 光伏方阵方位角为124°, 即面向南偏东方向。围栏采用绿色喷塑专用钢丝围栏, 高1.8m。

  5、效益分析及实践应用

  项目建成后, 通过光伏发电提水特色水利建设, 助力精准扶贫, 促进社会稳定、民族团结。在项目建设前, 玉龙县大具乡一碗水村由于水资源匮乏, 严重制约当地群众生存和发展。只有充分发挥水利行业产业扶贫优势, 破解人畜饮水难题, 才能保障贫困山区尽快脱贫致富, 全面奔向小康社会。因此, 在项目设计阶段考虑运行水费收费难, 结合国家对清洁能源产业政策的优扶政策, 充分发挥光伏发电在太阳能资源丰富地区的产业优势, 设计采用光伏发电, 电网供电作为备用的供电模式。根据项目建成后运行统计, 光伏发电年有效利用273d, 余下36d高位水池供水, 56d采用电网供电提水。根据项目运行阶段监测数字显示, 光伏发电平均每天发电302kW·h, 提水泵站用电143kW·h, 余电159kW·h, 按照0.42元补贴, 平均每天补贴电费67元, 项目建成后, 聘用1名管理人员, 补贴电费基本可以维持管理人员工资。若换算成电网供电后, 每天平均需要电费104.39元, 加之管理费用, 不能有效实现精准脱贫。因此, 采用光伏发电提水, 大大地降低了项目运行管理成本, 效益显着, 对社会稳定、民族团结具有促进作用。

  6、结语

  通过“自发自用, 余电上网”的提水泵站供配电模式在农村饮水工程中成功应用, 有效降低后期运行成本, 将利益予之贫困山区群众, 电网供电作为备用电源, 有效提高供水保证率。结合国家对清洁能源的补贴政策, 太阳能丰富地区, 光伏发电是解决贫困山区人畜饮水安全重要措施之一, 值得在山区推广。

  参考文献
  [1]孙春敏.光伏提水在雷州半岛抗旱应用中的可行性探讨[J].广东水利水电, 2017 (4) :89-90.
  [2]邓波.光伏提水技术研究与应用[J].前沿, 2011 (16) :16-18.
  [3]程荣香.光伏提水工程技术设计初探[J].理论研究, 2011 (4) :56-58.

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