風光能互補發電系統在節水灌溉工程中的應用

蘇丹　劉天朝

摘要：文章以歷城區西營鎮節水灌溉工程為背景，為改善濟南市歷城區北部平原和南部山區的農業生產條件，提高農業綜合生產能力和抗御自然災害能力，創建了風光能互補發電提水系統，從項目背景、主要經濟技術指標、主要設備選型、效益分析等方面闡述了風光互補發電提水系統的運行情況，有效地降低了灌溉勞動強度，提高勞動生產效率，取得較好的社會效益及經濟效益。

關鍵詞：風光互補；發電系統；提水泵站；節水灌溉工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM614 文章編號：1009-2374（2015）24-0053-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.026

1 項目概況

在缺水山區，農作物及經濟林果灌溉用水保證率較低，通常采用人工挑運及泵站提水的方式解決。提水泵站的運行需要架設電纜，對于山區電線線路架設較為困難，長期運行費用較高，農民負擔較重，風光能互補發電提水系統有效地解決了這一大難題。

為改善歷城區北部平原和南部山區的農業生產條件，提高農業綜合生產能力和抗御自然災害能力，解決農田水利建設長期以來存在的“投入少、項目散、成效差”問題，在歷城區西營鎮節水灌溉工程中應用風光能互補發電提水系統。

2 建設的必要性

2.1 面臨水利發展新形勢的需要

加強末級渠系高效節水工程和田間工程配套建設，形成旱澇保收高標準基本農田，成為當前水利發展的重要環節。

2.2 有利于提高農業綜合生產能力

實施農田水利建設，加強和改善項目區的農業基礎設施，有利于進一步挖掘農業綜合生產潛能，提高農業綜合生產能力。

2.3 有利于推進農業結構的戰略性調整

節水灌溉項目的建設將有利的支持項目區結構的調整，從而提高農業綜合效益。

2.4 有利于推進農業現代化進程

加強節水灌溉項目的投入，有利于改善農業生產基本條件，保護和改善生態環境，調整優化農業結構，推進農業科技進步和產業化經營。

2.5 有利于涵養水源、進行水資源優化配置

節水灌溉項目的建設必將涵養和補充地下水源，對濟南的各大名泉起著重要作用的補源作用。

3 設計標準

設計灌溉保證率75%，小型灌區灌溉水利用系數不低于0.8。

根據《泵站設計規范》（GB/T 50265-97）及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2000）之規定，小型灌溉泵站設計防洪標準10年一遇，20年校核。泵站裝置效率不低于75%；灌溉水質應符合GB5084-92《農田灌溉水質標準》。

排澇標準的設計暴雨重現期采用5～10年，主要建筑物防洪設計標準不低于10～20年一遇。

農田低壓管道輸水灌溉工程符合《農田低壓管道輸水灌溉工程技術規范》（GB/T20203-2006），管道工作壓力一般不超過0.4MPa；山區PE主管道工作壓力不超過0.8MPa。

4 主要經濟技術指標

（1）控制灌溉面積約500畝，提水高差60m，最大提水量約20m3/h，一般日均提水量100m3；（2）蓄電系統儲能約13200kW；（3）為提高設備的效率，提水機械采用普通潛水電泵；（4）系統平均無故障時間大于1萬小時；（5）抽水蓄能高位水池容積500m3。

5 風光互補發電提水主要設備選型

系統的主要設備為風力發電機組、太陽能電池方陣、風電充電控制器、太陽能充放電控制器、專匯流保護模塊、太陽能專用蓄電池組和水泵控制器、提水電

泵等。

5.1 風力發電機組

風力發電機組由4臺2000W水平軸風力發電機組成，為了滿足提水蓄能灌溉的需要，還可以增進工程的宏偉景觀效果。

5.2 太陽能電池方陣

根據歷城地區平均日照強度和日照量，按日累計提水量100m3、最大提水量20m3/h和揚程60m的設計要求，選用高效270W轉換功率為15.2%的多晶硅太陽能組件40只，方陣二組尺寸均為20.0m×20.0m×0.04m。

5.3 風電充電控制器

5.3.1 太陽能充電控制器。太陽能控制器是整個電源系統中十分重要的核心部件，它在太陽能電池陣列、風力發電機、蓄電池組和負載之間起到相互匹配、相互保護和“承前啟后”的關鍵作用，要求其應具有可靠性高、工作穩定、壽命長以及功耗低等特性。

5.3.2 匯流控制保護裝置。匯流保護模塊是將12組太陽能組件和2路風力發電機并接在一起，實現匯流后給儲能裝置充電。

5.4 開關電源模塊

風力發電機發出的三相交流電，經風電控制器轉變DC36V-DC72V直流電壓，并存儲在由超級電容組成的風電前級能量采集器中，再由開關電源模塊提升成DC135V電壓對電池組充電。

5.5 超級電容和免維護蓄電池混合儲能裝置

太陽能專用蓄電池具有儲存能量密度大、成本低和投資小等特點。

采用96F/140V超級電容和45只55AH/12V免維護蓄電池科學匹配，利用超級電容超低串聯等效電阻的優點和免維護蓄電池具有儲存能量密度大的優點，構成理想的混合儲能裝置。

5.6 提水電泵和專用控制器

選用200QJ20-81/6潛水電泵，其最佳流量20t/h，揚程81m，電機額定功率7.5kW，額定電壓AC380V，頻率50Hz。提水電泵控制器可為水泵提供過壓、過流、欠壓等有效的多種保護。

本次項目共規劃建設6處風光能泵站，分別是東邱1號泵站，設計流量10m3/h，揚程70m，控制面積365畝；西邱1號泵站，設計流量10m3/h，揚程100m，控制面積205畝；南邱1號泵站，設計流量10m3/h，揚程80m，控制面積350畝；北邱1號泵站，設計流量10m3/h，揚程100m，控制面積210畝；位置均在仲宮高而辦事處。東崖1號泵站，設計流量10m3/h，揚程80m，控制面積370畝；北崖1號泵站，設計流量10m3/h，揚程，100m，控制面積350畝，位置均在仲宮繡川辦事處。

6 效益分析

6.1 增產效益

風光互補發電提水泵站建成后，灌溉周期縮短，澆水及時，肥料利用率提高，促使了作物增產，項目區糧食畝均增產60公斤左右。按每公斤2元計，年新增產值6萬元。

6.2 節能效益

項目實施后，最大限度地利用太陽能和風能進行提水。最大提水量約20m3/h，泵機功率18kW·h，據測算，總節電7.2萬kW·h，每kW·h按0.56元計，年節能效益4.03萬元。

6.3 省工效益

項目建成后灌溉用水量普遍降低、灌溉時間減少，灌溉機械化程度大幅度提高，降低了勞動強度。畝年灌溉用工量可節省2個，項目區年省工1000個，省工效益10萬元。

6.4 節水效益

項目實施節水灌溉后，與土渠灌溉相比，項目區年總節水1萬m3。按每立方綜合價0.3元計，共0.3萬元。

項目實施后，灌溉增加效益及節水節能效益每年約20.33萬元。

7 結語

風光能互補發電提水系統是利用風能和太陽能資源的互補性，將太陽能電池和風力發電機有機地組成一個系統，有效地利用風能和太陽能在能量及時間上的互補性，充分發揮各自的特性和優勢，最大限度地利用太陽能和風能進行提水，是具有較高性價比的一種新型能源發電系統，具有很好的應用前景。

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作者簡介：蘇丹（1982-），女，濟南黃河河務局槐蔭黃河河務局工程師，研究生，研究方向：工程管理。

（責任編輯：陳 倩）