光伏發電系統在泵站工程中的應用

李天星

摘? 要：溝道土地是陜北黃土丘陵溝壑區重要的土地資源，近年來，延安地區實施的治溝造地重大工程，既增加了耕地面積，也提升了耕地質量。在延安市安塞區治溝造地項目灌溉工程設計中，部分項目區因水源位置較低，無自流引水條件，設計采用泵站提水。通過應用光伏發電系統為泵站工程提供動力電源，既解決了泵站系統的用電問題、提升了工程投資效益，又踐行了節能降耗環保的現代工程理念，具有良好的示范效應及推廣應用價值。

關鍵詞：治溝造地? 安塞? 泵站工程? 光伏發電

中圖分類號：S274.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）10（c）-0003-04

Abstract： Gully land is one of the most important types of land degradation in the hilly-gully region of northern Shaanxi Province. As the projects of Gully Land Consolidation have been largely implemented in recent years， it contributes to not only increase in agrarian areas， but also improvement of farmland quality. In design of irrigation project of newly-increased cultivated land through gully land consolidation in Ansai， a part of project area have no condition of artesian water diversion for taking irrigation water， pumping stations should be adopted for taking water. In this case， the power supply of pump station engineering is entirely using photovoltaic generation system， thus improving investment returns and practicing modern engineering concept， which is energy saving and environment protection， and has good demonstration effect as well as great popularization and application value.

Key Words： Gully land consolidation; Ansai; Pump station engineering; Photovoltaic power generation system

治溝造地是針對延安市黃土高原丘陵溝壑區特殊的地形地貌特點，以生物治理和工程治理相結合進行的溝道綜合治理，是黨中央支持的一項黃土高原生態治理重大方針。項目輻射延安各縣區，建設規模達55萬余畝。項目的實施為解決當地農業發展瓶頸，夯實現代農業發展基礎開辟了新天地[1-3]。延安治溝造地部分項目區臨近天然河道或地下潛水豐富，可適當建設高標準的水澆地或水田，發展設施農業，提升當地農業發展水平，同時提升水資源利用效率。灌溉工程的動力一般由電力提供，常見的電力能源主要有煤碳、核能、水能、風能、太陽能等，在我國，目前電力資源仍然以煤炭發電為主，是一種高碳、粗放型的資源開發利用形式，易造成不可再生資源枯竭、生態環境及生活環境的破壞，不符合以人為本、全面協調可持續的科學發展要求[4-5]。所以如何在工程建設中積極引入新能源，踐行節能降耗環保的現代工程理念，減少對煤炭等不可再生資源的過度依賴，是順應時代發展潮流的選擇。

在水能、風能、地熱能等眾多可再生資源中，太陽能是一種應用范圍較廣、開發技術難度較低的可再生能源，按照年平均估算，太陽輻射可為地球表面帶來130萬億t煤的能量[4]。光伏發電是對光能進行開發利用的技術形式之一，因其使用過程中具有清潔安全、擴展靈活、管護成本低等優勢，在我國新能源發展戰略中占有重要地位，并已在市場上得到廣泛關注，分布式光伏也由爆發式增長進入提質增效階段[5]。根據有關文獻報道[6-8]，光伏發電系統目前已在市政、軌道交通、住宅建筑、水處理、農村安全飲水等領域發揮重要作用。

由于治溝造地項目的工程建設地點一般距離城鎮、村落較遠，采用電網的輸配電工程因涉及電力增容費、線路架設、配電裝置等費用，往往導致工程施工難度增大、投資增加，且不便于后期管理維護。在全球倡導節能減排的大背景下，在我國實現以人為本、全面協調可持續的科學發展理念的指引下，通過引入新能源進行工程建設的意義顯得尤為重要。

延安市治溝造地項目實施以來，安塞區結合項目實際，在某項目的灌溉工程中，首次全部采用光伏發電系統對泵站進行供電。本文結合工程實例，分析了光伏發電系統的基本原理及其在治溝造地項目中的應用優勢，以期對類似工程建設規劃提供借鑒。

1? 工程背景

項目區位于安塞區西南約45km，該區屬中溫帶大陸性半干旱季風氣候，多年平均降水量505.3mm，降水在年內分配不均，當地汛期一般為6～9月，降水量占到全年的70%以上。項目區田塊為溝道壩地，分布在河道兩岸。項目區大棚蔬菜已成為當地農業的支柱產業，但由于近年來地表水匱乏，現有灌溉設施年久失修、功能退化，制約著當地農業的高效可持續發展。

泵站工程建設地點位于項目區河道沿岸，由于田塊高于項目區水源位置，設計在杏子河規劃修筑大口機井，河床滲水自流引入機井，再由泵站抽水至高位調蓄池，然后通過下水管網輸配至各控制田塊，接入農戶大棚管網，農戶通過管網末端控制閘閥自流灌溉。

2? 光伏發電系統設計

根據泵站負載，結合當地日照、地形等條件，科學布設光伏發電系統。項目所在地年日照時數為2395.6h/a，日照百分率達54%，參考相關文獻[7]，其太陽能資源屬可利用區，適宜建設光伏發電系統。

2.1 光伏發電系統的基本原理介紹

太陽能光伏發電系統一般由太陽能板（電池組）、控制器、逆變器及蓄電池組組成。

太陽能板（電池組）是光伏發電系統的核心部件，太陽能板接收太陽輻射發生光電效應，將太陽能轉換成電能，再通過外接電路即可形成電流。

控制器主要用于用電設備啟動時，為用電設備分配電能，并使系統電能保持一個最優化的輸出。

逆變器用于將從光伏電池組件或蓄電池輸出的直流電轉化為交流電，滿足絕大多數電氣設備。

蓄電池作為儲能部分，當光伏電池所發電量大于負載需求時，蓄電池組儲存電能。反之，蓄電池釋放電能以維持負載正常運行。

考慮到工程成本、場地條件且不影響系統正常運轉的情況下，本工程采用冗余設計，在滿足系統正常運行條件下，合理增加太陽能電池組數量，因此未采用蓄電池。

2.2 設計原則

2.2.1 安全可靠性

采用原廠配套零部件及各項指標經檢測合格的正規產品，并按照動力電標準，做了防漏電、防雷擊等系統防護。在滿足正常負載需求基礎上，進行了冗余設計。

2.2.2 實用性

充分融合當地灌溉需求，群眾能充分享受到科技普及帶來的實惠和效益，且便于后期管理維護。

2.2.3 可擴充靈活性

采用模板化設計，可根據負載變化靈活調整系統發電量。

2.2.4 宣傳示范性

以治溝造地項目為載體，通過引入光伏系統，直觀展示綠色新能源的工程效果，此舉既與政府提倡的節能環保理念相統一，與企業降本增效的目的相一致，又契合當地農戶的利益需求。

2.3 系統設計

以其中1座光伏系統為例，泵站裝機容量為5.5kW，采用ASP250-20/Wd太陽能電池板22塊，規則的排布在泵房南側，經過技術人員現場測算，傾角接近38°，方向朝南。根據泵站裝機容量選擇5.5kW揚水逆變器1臺。

2.4 結構設計

結構主要由混凝土基礎、鍍鋅鋼構、光伏組件等組成。鋼結構支撐框架支撐在地面混凝土基礎上，對支架結構牢度的基本風壓及雪壓依據《GB50009-2001建筑結構荷載規范》進行設計，然后再安裝光伏組件。

2.5 電氣設計

以一座光伏系統泵站為例，其主要由太陽能電池組、控制器、逆變器及水泵組成。

2.5.1 主電路設計

共用22塊250W太陽能電池組件，16串1并，分成1條支路接入5.5kW揚水逆變器的兩個預留端口，逆變器將直流電轉化為380V的交流電。

2.5.2 防雷接地設計

根據《GB50057-94建筑物防雷設計規范》，光伏發電站按照第三類防雷建筑進行設計。所有地面支架均采用等電位多點接地方式，且接地電阻應≤10Ω，來防護直擊雷。為了防止感應雷和雷電流對系統設備和線路造成的損壞，通過在光伏主要設備內安裝防雷模塊，并且可靠接地來保證光伏設備和線路的安全。逆變器的防雷措施主要是在逆變器內安裝防雷模塊，并且設備外殼與防雷器均可靠接地，接地電阻≤4Ω。

2.5.3 水泵

光伏發電系統的供電能力直接受太陽輻射強度的影響，采用光伏系統供電的水泵，其最高效率應是針對某一地區的時間、氣候等因素下的平均效率，而不是通常水泵設計中所要求的設計點、工況點的最高效率[9]。根據灌溉需求，本設計選用的水泵型號為200QJ32-54/4。

3? 光伏發電系統在治溝造地項目灌溉工程中的應用優勢

3.1 光照條件較好

治溝造地項目多與城鎮、村落等距離較遠，周邊建筑物稀少，對光伏發電系統遮擋較少，因此具有較好的光照條件。

3.2 負荷特性穩定

治溝造地項目泵站工程的負荷特性穩定，一般主要滿足水泵用電。負荷特性是光伏發電系統設計的關鍵參數，穩定的用電負載將使光伏系統得到充分發揮，提高光能的使用效率。

3.3 提高施工效率，提升工程效益

光伏系統全部為模塊化設計，并有廠家專業人員進行組裝調試，施工難度小，施工效率高。與采用電網的輸配電工程相比，在電力增容費、線路架設、配電裝置等的投資成本明顯下降。

3.4 符合農戶利益需求

采用電網供電灌溉，農戶需繳納相應的電費，該系統設計全部采用光伏系統提供電力，農戶灌溉不再產生電力費用，而且該項目水源全部為河道潛水，即也不需繳納水費，農戶灌溉積極性得到提升，農戶利益得到進一步增強。

3.5 管理維護成本低

光伏系統建成后，其運營成本主要在電氣連接的日常檢測、光伏組件的清洗以及對部分失效部件的更換等簡單操作，與采用電網供電相比，成本相對較低。

3.6 符合陜北設施農業發展需要

由于設施農業對光照等的要求，陜北地區設施大棚大多建在地勢較高的梯田地，而水源一般位于相對低處，就需要提水灌溉，電能則是灌溉設施發揮作用的關鍵。通過與太陽能、風能等新能源融合，逐步替代煤炭發電等不可再生能源，對促進現代農業發展具有重要意義。

4? 結語

中國目前已成為世界利用新能源和可再生能源第一大國。治溝造地作為國家重大土地整治項目，有利于集中連片機械化耕作，發展現代農業。通過在工程建設中引入新能源、新技術，踐行高新、高效、節能、生態、環保的可持續發展路徑，對突出并實現“治溝保生態，造地惠民生”的目標具有重要意義，也符合當前時代發展需求。

本文結合治溝造地項目工程案例，分析了光伏發電系統的原理、特點及其在灌溉泵站工程中的應用優勢。光伏發電具有顯著的能源、環保和經濟效益，是技術較為成熟的綠色新動能之一，值得類似工程建設借鑒推廣。

參考文獻

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