風力和光伏提水泵站優(yōu)化設(shè)計探究論文

　　摘要：近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展與技術(shù)的進步，我國風力和光伏提水泵站的技術(shù)水平更上一層樓，為農(nóng)田灌溉、人工草場供水以及人畜用水提供了穩(wěn)定的水資源，是我國農(nóng)業(yè)以及畜牧業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。但當前風力和光伏提水泵站的設(shè)計缺乏科學性，運轉(zhuǎn)效率不高，不能為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到積極作用�；�于此，本文分析了風力和光伏提水泵站的工作原理，并對如何優(yōu)化風力和光伏提水泵站的設(shè)計提出了合理建議參考，以供相關(guān)部門或有關(guān)人員參考。

　　關(guān)鍵詞：風力提水；光伏提水；提水系統(tǒng)；用水需求

　　依托于風力和光伏提水泵站產(chǎn)生的能源屬于可再生能源，能有效緩解石油化工等傳統(tǒng)能源的緊張以及生態(tài)環(huán)境保護的雙重壓力，加之風力和太陽能的造價低、污染小、便于生產(chǎn)，受到了社會大眾的廣泛關(guān)注。近年來，隨著我國社會主義現(xiàn)代化事業(yè)的推進以及城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，“民生水利”“社會主義新農(nóng)村”建設(shè)對風能、太陽能的利用提出了更高的要求。眾所周知，農(nóng)村地區(qū)的供水、農(nóng)田灌溉、灌溉草場等都離不開風力和光伏提水技術(shù)的支持。風力和光伏提水泵站的建立，一方面可在一定程度上緩解我國能源資源的利用壓力，另一方面還可以解決牧區(qū)、農(nóng)區(qū)的用水問題。通過認真研究建成的風力和光伏提水泵站，其生產(chǎn)效益不理想，各項功能不完善，保證率不高。因此，只有從源頭上優(yōu)化風力和光伏提水泵站的設(shè)計，才能建成功能齊全的風力和光伏提水泵站。

　　1淺析風力和光伏提水泵站的工作原理

　　1.1風力提水泵站的工作原理

　　人類較早開發(fā)利用的機械設(shè)備之一為風力提水。傳統(tǒng)的風力提水為低速運轉(zhuǎn)機械設(shè)備，屬于風車驅(qū)動的往復(fù)式積水泵，其對風能的利用效率低下，通常小于10%，出水狀態(tài)不理想，斷斷續(xù)續(xù)的非連續(xù)出水狀態(tài)無法滿足供水的需求。隨著科學技術(shù)水平的不斷提高，發(fā)電式提水系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的風車驅(qū)動提水系統(tǒng)，其運轉(zhuǎn)效率高、布置方式靈活多樣、安全性能較高。發(fā)電式風力提水系統(tǒng)的工作原理為：風輪可將收集到的風力進一步轉(zhuǎn)化為機械能，從而拉動風力提水泵站的運行。發(fā)電機與泵水設(shè)備利用控制器實現(xiàn)匹配兼容，達到提水的目的，提出的水通過輸水設(shè)備輸出到各個需要供水的地方，以滿足動植物的用水需求。

　　1.2光伏提水泵站的工作原理

　　控制器、光電池以及光伏水泵是光伏提水系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分。太陽能輻射可以直接通過光電池轉(zhuǎn)化成電能，然后通過控制器的處理，將直流電轉(zhuǎn)化成交流電。只有交流電才能夠?qū)崿F(xiàn)逆變，從而達到對水泵跟蹤和控制的目的。在光伏提水系統(tǒng)中，楊水是靠潛水電泵裝置實現(xiàn)的，主要包括配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、潛水水泵、用水終端。其基本工作原理與風力提水系統(tǒng)的工作原理相似，特點是穩(wěn)定性高、效率高，能基本滿足農(nóng)田，蓄區(qū)以及草場的用水需求。

　　1.3泵站設(shè)計的一般要求

　　無論是風力提水泵站，還是光伏提水泵站，其泵站設(shè)計的一般要求主要體現(xiàn)在以下3方面：①對于障礙物的控制。風能和太陽能屬于可再生資源，其產(chǎn)生具有特殊性要求。無論是風力提水泵站，還是光伏提水泵站，在修建時其四周都不可出現(xiàn)阻風和擋光的障礙物。如果不可避免障礙物存在，一定要注意障礙物與風力機之間的距離。主風方向與障礙物的距離至少要保持在5倍以上，其他方向的距離至少要保持在2倍以上。對于光伏陣列而言，其距離要以冬天障礙物的最長影長為準。②對于較大容器的提水泵站而言，要求建立專門的控制室，且必須搞好控制室的硬件設(shè)施，配備完整的取暖和通風設(shè)施，并搞好墻面的粉刷與地面的硬化工作；③蓄水池的位置。蓄水池一般選擇建立在高地，要注意控制蓄水池周圍的環(huán)境建設(shè)，不可在蓄水池周邊建垃圾場，以免水源遭到污染。

　　2淺析風力和光伏提水泵站的優(yōu)化設(shè)計

　　2.1總揚程的確定

　　所謂“總揚程”，是對于風力提水泵站的設(shè)計而言的。在一定風速下，應(yīng)保證供給水量與抽水水量的平衡。此時，出水口刀動水位的垂直高度與管道產(chǎn)生的阻力之間構(gòu)成的和即總揚程。而對于光伏提水泵站的總揚程，是在定額電能作用下，保持供給水量與抽出水量之間的平衡狀態(tài)，距離與管道阻力之間的和。根據(jù)其公式表達式可知，總揚程就是終端垂直距離與蓄水池高度加上管道阻力之間的和。

　　2.2泵站日均提水量的確定

　　一般而言，泵站日均的提水量是有定額可循的。在風力提水泵站中，其日均提水量的確定方式為：在日均一定的總揚程下，同級別風速下水泵流量與不同級別有效風速之間的乘積，然后除以365d，這就是風力提水泵站日均提水量的確定方法。在光伏提水泵站中，其日均提水量的確定方法為：在定額揚程的設(shè)定下，不同級別之間的有效光照加上流量乘積，就是光伏提水泵站日均提水量。風力和光伏提水泵站日均提水量的確定不僅可以優(yōu)化供水方案，還能節(jié)省風能與太陽能等資源，是優(yōu)化設(shè)計提水泵站的有效途徑。

　　2.3設(shè)計蓄水工程

　　要想從根本上提高風力和光伏提水泵站的能力和水平，就需要不斷優(yōu)化泵站設(shè)計的各個部分。只有這樣，才能達到理想目標。因此，不斷優(yōu)化蓄水工程，是提高風能和光伏提水泵站科學性的關(guān)鍵所在。具體而言，應(yīng)確定蓄水工程的形式。蓄水工程的建設(shè)要嚴格考察周邊環(huán)境，全面了解當?shù)氐牡匦蔚孛�，確定建設(shè)材料的材質(zhì)，把關(guān)蓄水工程的用途，選用與地形地貌相適用的水窖、水池或水罐等的形式。不可將蓄水池建在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，應(yīng)該將蓄水池建在高處，不易受到地質(zhì)災(zāi)害的影響。此外，還要注意控制風力、光伏提水機組揚程與蓄水池之間的高度差，蓄水池的容量要控制在總揚程之內(nèi)，既不能超過總揚程的設(shè)定，也不能小于日均提水量的3倍。蓄水池建好以后，還需要在相應(yīng)位置設(shè)置泄水道和堵水池，防止洪澇和旱災(zāi)的影響。

　　2.4輸配水工程的設(shè)計

　　當蓄水池建好以后，需要優(yōu)化輸配水工程設(shè)計。在輸配水工程中，最主要的是輸水管線的設(shè)計和布置，應(yīng)把握以下3個方面的內(nèi)容：①位置的設(shè)計。在設(shè)計輸配水管線的過程中，要把握好蓄水池的位置，住戶的分布以及地形地貌等因素，既要滿足供水的需要，又要避免不良地段。②具體問題具體分析。輸配水管線的鋪設(shè)并不是統(tǒng)一規(guī)劃的，而是需要結(jié)合當?shù)氐牡匦蔚孛病⒔?jīng)濟發(fā)展狀況以及住戶對水的需求量來確定的。當規(guī)模較小時，可以采用單管布置的形式；當規(guī)模較大時，則需要優(yōu)先采用重力輸送的方式。③注重排氣閥的設(shè)置。輸配水管線每隔一段距離都需要設(shè)置自動排氣閥，保持管線內(nèi)壓力平衡，降低因受壓不均而產(chǎn)生爆炸事件出現(xiàn)的概率。

　　3結(jié)束語

　　綜上所述，風力和光伏提水泵站的工作機理大同小異，其根本目的都是為了滿足農(nóng)田灌溉、草場灌溉以及牧區(qū)用水。為了不斷優(yōu)化設(shè)計風能和光伏提水泵站的設(shè)計，要從其構(gòu)成部分入手，加強輸配水工程的設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計蓄水工程，確定風力和光伏提水泵站的總揚程和日均提水量，從而實現(xiàn)風力和光伏提水泵站科學化的根本目標。

　　作者:陳建剛 單位:中國能源建設(shè)集團云南省電力設(shè)計院有限公司

　　參考文獻:

　　［1］查詠，吳永忠，劉惠敏.風力和光伏提水泵站的優(yōu)化設(shè)計［J］.中國農(nóng)村水利水電，2010（08）.

　　［2］吳萬祿，韋鋼，謝麗蓉.風光水互補發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化配置［J］.電力與能源，2014（01）.

　�。�3］吳萬祿，陳巒.風光互補發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)度策略研究［J］.水電能源科學，2011（12）.