北方牧区新能源供水泵站技术研究

王世锋，侯诗文，曹 亮

(水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特 010020)

0 引 言

牧区人居分散，电网建设因线损高、效益低，目前绝大多数地区处于无电网现状。这些地区非常适合建设风能、太阳能为动力的供水泵站。根据不同典型牧区的特点，将风能太阳能系统与供水系统相集成，在牧区水源、水质相对较好地区采用新能源分散供水即高位水箱重力供水或压力罐供水一家一户的供水模式；在水资源匮乏的地区解决牧区利用深层地下水，采用集中供水的供水模式。并将现代控制技术与供水系统相集成，实现全天候、高保证率、自动供水技术。

在我国牧区、欠发达农村、山区及边防哨所等地区，由于多数地处高寒、人居分散，饮水水源埋深深，由于这些地区环境特殊和微小的供水量，至今人畜安全饮水问题未得到解决，其原因是缺乏适用的、经济的成套技术解决方案。本文的提出我国新能源微小型供水模式，解决偏远地区的饮水困难问题，实现人畜自来水化供水。为这些地区提供因地适宜的供水技术方案意义重大。牧区人畜供水工程是我国水利建设的一项重要内容，牧区供水事业的发展，直接关系到该地区的经济发展和人民生活水平的提高，也是为农村牧区水利现代化建设及我国全面部署实施乡村振兴战略提供技术支撑。

1 供水泵站风能太阳能容量确定

1.1 太阳能设备容量的计算

太阳能供水泵站装机容量的计算表达式为：

(1)

式中：N为光伏系统容量，W；ρ为水密度，kg/m2；g为主力加速度，m/s；Qmax为水泵峰值流量，m3/h；H为扬程，m；k1为流量修正系数；k2为水泵型式修正系数；k3为电力传动修正系数；k4为太阳能资源修正系数；k5为光伏阵列跟踪修正系数。

公式中修正系数见《光伏提水工程技术规程》中4.7。

1.2 风能设备容量确定

风力发电供水机容量按下列公式确定。

(2)

式中：Qz为日供水量，m3；t为风力机满负荷工作小时数(4～6 h)，h；P为风力机功率，W；η1为水泵效率，%；η2为发电机效率，%。

2 风能太阳能供水模式

2.1 分散供水模式

牧区分散供水模式适用于居住分散地下水量相对充沛、埋深较浅的地区。采用一家一户的分散供水形式。牧区分散式供水水源多为管井、大口井、辐射井、渗渠、截伏流、泉室、水窖等取水构筑物，取水水源主要是浅层地下水和局部地表水。

2.2 集中供水模式

牧区集中供水模式适用于牧区人畜饮水以地下水为主，这些区域的地下水一般埋深较深，水源井深约80～150 m，水质好，水量相对充沛，涌水量2～10 m3/d的地区。

2.3 风能供水泵站模式研究

适合年平均风速大于等于2.5 m/s，年平均有效风能密度大于等于300 W/m2，年有效风速小时数大于3 000 h的干旱、大风的牧区。北方牧场80%的地区可使用风能作为动力的牧场供水模式。

牧场风能供水系统由以下部分组成(图1)：取水建筑物、风力机(或风力发电机)、控制系统、提水装置(泵)、输水管线、用户、蓄水池。

图1 风能供水泵站示意图

2.4 太阳能供水泵站模式

适用于山区、风速小、海拔高、严寒的牧区，太阳能资源：年平均日照小时数不小于2 200 h；年平均总辐射量不小于1 400 kWh/(m2·a)。极限最低温度-40 ℃，极限最高温度+60 ℃。50年一遇的最大风速不大于50 m/s。

太阳能供水泵站由以下部分组成(图2)：太阳电池板、支架、基础、蓄电池组(如有)、控制系统、水泵、取水建筑物、输水管线、蓄水池(如有)、用水终端、安全防护网等。

1-水源；2-提水主泵；3-光伏系统；4-转换开关；5-上游水管；6-蓄水池；7-装车辅泵；8-下游水管；9-运水车图2 太阳能供水系统示意图

2.5 风光互补供水泵站模式

太阳能资源Ⅱ类及以上可利用地区，年平均风速大于3 m/s以上牧区地区，均可适用风光互补牧区供水泵站模式。

北方牧区，太阳能夏季大，冬季小，而风能夏季小，冬季大，所以可利用风能太阳能两者的变化趋势基本相反地自然特性，扬长避短，相互配合，发挥出可再生资源的最大效应。同时单一电源因资源在时、空、量、序上的随机性，引起出力不均，其互补发电不但比单一发电更高效、可靠、经济，更重要的是互补后出力稳定。

风能太阳能互补供水模式由水源(机井)、风力提水机组、太阳能动力系统、控制器、输配水管网、水泵、蓄水池组成(图3)。

图3 风能太阳能供水泵站组成示意图

3 实例分析

以内蒙古某地建设的一个太阳能为动力供水泵站模式为例，其每天的需水量为32 m3，要求水泵扬程为100 m，额定流量为6 m3/h(太阳能提水泵站只有在额定功率点运行时才能达到最大流量，绝大部分时间流量都在额定流量以下，一天工作8 h，折合满负荷运行时间5～6 h)。

3.1 代表日光资源分析

太阳能光伏提水系统，一般当水平面辐射量达到或大于200 Wh/m2时，系统便可提水工作。而太阳能辐射量在一天中的变化规律是：由零到极值再由极值到零而变化的，不同地区只是变化数值不同而已。内蒙古某地代表日水平面太阳能总辐射量日变化见表1和图4。

表1 代表日水平面太阳能总辐射量日变化表 kWh/m2

图4 代表日水平面太阳能总辐射量日变化

3.2 太阳能泵站装机容量的确定

太阳能泵站的装机容量主要取决于提水扬程、流量和太阳能资源，同时也与水泵型式、传动方式等因素有关。装机容量的确定采用公式(1)进行计算。

当扬程100 m，流量为6 m3时。需太阳能电池系统装机容量为3.37 kWP。

3.3 代表日提水量

为保证供水的可靠性和工程的匹配性，采用日提水量计算确定装机容量时，将理论值3.37 kWP修正为3.5 kWP(以下分析计算均采用该修正值)，依据该地区的太阳能资源计算得到日各时段的实际提水量如表2。

表2 代表日各时段提水量 m3

合计理论总提水量为32 m3，可满足3 000 只羊,10户牧民的饮水问题。

如果建设风能供水泵站，根据用户的日用水量，结合当地的风能资源(不同风能资源满负荷小时数t取值不同)，通过公式(2)即可得到风力发电机的装机容量；如果建设风光互补供水泵站，单一能源提水存在连续无风或者连续的阴雨天气，根据《风力提水工程技术规程》的规定，蓄水工程的设计容量不应小于最大日用水量的3 倍。而风能太阳能互补后按照《村镇供水工程技术规范》的规定，能源有可靠电源和可靠供水系统的工程，单独设立的高位水池可按最高日用水量的20%～40%设计，相比之下大大降低供水工程的造价。通过建设地资源情况以及泵站整体经济性分析，合理分配太阳能提水、风力提水的日提水量，确定了两种能源分别需要满足的日提水量后，通过公式(1)和公式(2)可计算出太阳能电池、风力提水机的装机容量。

4 供水泵站经济性分析

4.1 项目的投资

风力供水、太阳能供水、传统柴油机供水单位千瓦造价(一次性投入)见表3。

4.2 总成本费用

①年运行费见表4。②折旧费见表5。③年运行满负荷小时数见表6。④单位千瓦时投资及千瓦时费用见表7。

通过上述风能供水、太阳能供水、内燃机供水工程的经济性分析可知，1 kWh运行费用内燃机>风力提水>太阳能提水。

表3 供水设备单位千瓦造价 元

表4 年运行费用 元

表5 单位千瓦折旧费用

表6 运行满负荷小时数

表7 单位千瓦时投资及千瓦时费用

每立方提水成本内燃机>风力提水>太阳能提水。

5 结 语

发展牧区风能太阳能供水泵站模式是解决牧区安全供水的一个有效途径。采用风能太阳能作为供水的能源动力可解决北方牧区电网未及问题。

通过对风能太阳能转化电能的计算、供水泵站模式的合理选择，科学的匹配供水泵站中的各个部件，不仅能够节约供水泵站成本，还可以增加泵站的运行寿命、提高供水保证率。通过对案例的具体计算，体现了风能太阳能供水泵站中具有很好的技术、经济效益。也可为今后我国无电牧区建设风能太阳能以及多能互补供水泵站提供参考与借鉴。

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