节水灌溉工程中风光能互补发电提水系统的运用

　　1 项目概况

　　在缺水山区，农作物及经济林果灌溉用水保证率较低，通常采用人工挑运及泵站提水的方式解决。提水泵站的运行需要架设电缆，对于山区电线线路架设较为困难，长期运行费用较高，农民负担较重，风光能互补发电提水系统有效地解决了这一大难题。

　　为改善历城区北部平原和南部山区的农业生产条件，提高农业综合生产能力和抗御自然灾害能力，解决农田水利建设长期以来存在的“投入少、项目散、成效差”问题，在历城区西营镇节水灌溉工程中应用风光能互补发电提水系统。

　　2 建设的必要性

　　2.1 面临水利发展新形势的需要

　　加强末级渠系高效节水工程和田间工程配套建设，形成旱涝保收高标准基本农田，成为当前水利发展的重要环节。

　　2.2 有利于提高农业综合生产能力

　　实施农田水利建设，加强和改善项目区的农业基础设施，有利于进一步挖掘农业综合生产潜能，提高农业综合生产能力。

　　2.3 有利于推进农业结构的战略性调整

　　节水灌溉项目的建设将有利的支持项目区结构的调整，从而提高农业综合效益。

　　2.4 有利于推进农业现代化进程

　　加强节水灌溉项目的投入，有利于改善农业生产基本条件，保护和改善生态环境，调整优化农业结构，推进农业科技进步和产业化经营。

　　2.5 有利于涵养水源、进行水资源优化配置

　　节水灌溉项目的建设必将涵养和补充地下水源，对济南的各大名泉起着重要作用的补源作用。

　　3 设计标准

　　设计灌溉保证率75%,小型灌区灌溉水利用系数不低于0.8.根据《泵站设计规范》（GB/T 50265-97）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）之规定，小型灌溉泵站设计防洪标准10年一遇，20年校核。泵站装置效率不低于75%;灌溉水质应符合GB5084-92《农田灌溉水质标准》。

　　排涝标准的设计暴雨重现期采用5~10年，主要建筑物防洪设计标准不低于10~20年一遇。农田低压管道输水灌溉工程符合《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T20203-2006），管道工作压力一般不超过0.4MPa;山区PE主管道工作压力不超过0.8MPa.

　　4 主要经济技术指标

　　（1）控制灌溉面积约500亩，提水高差60m,最大提水量约20m³/h,一般日均提水量100m³;（2）蓄电系统储能约13200kW;（3）为提高设备的效率，提水机械采用普通潜水电泵；（4）系统平均无故障时间大于1万小时；（5）抽水蓄能高位水池容积500m³.

　　5 风光互补发电提水主要设备选型

　　系统的主要设备为风力发电机组、太阳能电池方阵、风电充电控制器、太阳能充放电控制器、专汇流保护模块、太阳能专用蓄电池组和水泵控制器、提水电泵等。

　　5.1 风力发电机组

　　风力发电机组由4台2000W水平轴风力发电机组成，为了满足提水蓄能灌溉的需要，还可以增进工程的宏伟景观效果。

　　5.2 太阳能电池方阵

　　根据历城地区平均日照强度和日照量，按日累计提水量100m³、最大提水量20m³/h和扬程60m的设计要求，选用高效270W转换功率为15.2%的多晶硅太阳能组件40只，方阵二组尺寸均为20.0m×20.0m×0.04m.

　　5.3 风电充电控制器

　　5.3.1 太阳能充电控制器。太阳能控制器是整个电源系统中十分重要的核心部件，它在太阳能电池阵列、风力发电机、蓄电池组和负载之间起到相互匹配、相互保护和“承前启后”的关键作用，要求其应具有可靠性高、工作稳定、寿命长以及功耗低等特性。

　　5.3.2 汇流控制保护装置。汇流保护模块是将12组太阳能组件和2路风力发电机并接在一起，实现汇流后给储能装置充电。

　　5.4 开关电源模块

　　风力发电机发出的三相交流电，经风电控制器转变DC36V-DC72V直流电压，并存储在由超级电容组成的风电前级能量采集器中，再由开关电源模块提升成DC135V电压对电池组充电。

　　5.5 超级电容和免维护蓄电池混合储能装置

　　太阳能专用蓄电池具有储存能量密度大、成本低和投资小等特点。采用96F/140V超级电容和45只55AH/12V免维护蓄电池科学匹配，利用超级电容超低串联等效电阻的优点和免维护蓄电池具有储存能量密度大的优点，构成理想的混合储能装置。

　　5.6 提水电泵和专用控制器

　　选用200QJ20-81/6潜水电泵，其最佳流量20t/h,扬程81m,电机额定功率7.5kW,额定电压AC380V,频率50Hz.提水电泵控制器可为水泵提供过压、过流、欠压等有效的多种保护。

　　本次项目共规划建设6处风光能泵站，分别是东邱1号泵站，设计流量10m³/h,扬程70m,控制面积365亩；西邱1号泵站，设计流量10m³/h,扬程100m,控制面积205亩；南邱1号泵站，设计流量10m³/h,扬程80m,控制面积350亩；北邱1号泵站，设计流量10m³/h,扬程100m,控制面积210亩；位置均在仲宫高而办事处。东崖1号泵站，设计流量10m³/h,扬程80m,控制面积370亩；北崖1号泵站，设计流量10m³/h,扬程，100m,控制面积350亩，位置均在仲宫绣川办事处。

　　6 效益分析

　　6.1 增产效益

　　风光互补发电提水泵站建成后，灌溉周期缩短，浇水及时，肥料利用率提高，促使了作物增产，项目区粮食亩均增产60公斤左右。按每公斤2元计，年新增产值6万元。

　　6.2 节能效益

　　项目实施后，最大限度地利用太阳能和风能进行提水。最大提水量约20m³/h,泵机功率18kW·h,据测算，总节电7.2万kW·h,每kW·h按0.56元计，年节能效益4.03万元。

　　6.3 省工效益

　　项目建成后灌溉用水量普遍降低、灌溉时间减少，灌溉机械化程度大幅度提高，降低了劳动强度。亩年灌溉用工量可节省2个，项目区年省工1000个，省工效益10万元。

　　6.4 节水效益

　　项目实施节水灌溉后，与土渠灌溉相比，项目区年总节水1万m³.按每立方综合价0.3元计，共0.3万元。项目实施后，灌溉增加效益及节水节能效益每年约20.33万元。

　　7 结语

　　风光能互补发电提水系统是利用风能和太阳能资源的互补性，将太阳能电池和风力发电机有机地组成一个系统，有效地利用风能和太阳能在能量及时间上的互补性，充分发挥各自的特性和优势，最大限度地利用太阳能和风能进行提水，是具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。

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