风力和光伏提水泵站优化设计探究

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摘要：近年来，随着经济的发展与技术的进步，我国风力和光伏提水泵站的技术水平更上一层楼，为农田灌溉、人工草场供水以及人畜用水提供了稳定的水资源，是我国农业以及畜牧业发展的基础。但当前风力和光伏提水泵站的设计缺乏科学性，运转效率不高，不能为现代农业的发展起到积极作用。基于此，本文分析了风力和光伏提水泵站的工作原理，并对如何优化风力和光伏提水泵站的设计提出了合理建议参考，以供相关部门或有关人员参考。

关键词：风力提水；光伏提水；提水系统；用水需求

依托于风力和光伏提水泵站产生的能源属于可再生能源，能有效缓解石油化工等传统能源的紧张以及生态环境保护的双重压力，加之风力和太阳能的造价低、污染小、便于生产，受到了社会大众的广泛关注。近年来，随着我国社会主义现代化事业的推进以及城镇化的加速发展，“民生水利”“社会主义新农村”建设对风能、太阳能的利用提出了更高的要求。众所周知，农村地区的供水、农田灌溉、灌溉草场等都离不开风力和光伏提水技术的支持。风力和光伏提水泵站的建立，一方面可在一定程度上缓解我国能源资源的利用压力，另一方面还可以解决牧区、农区的用水问题。通过认真研究建成的风力和光伏提水泵站，其生产效益不理想，各项功能不完善，保证率不高。因此，只有从源头上优化风力和光伏提水泵站的设计，才能建成功能齐全的风力和光伏提水泵站。

1浅析风力和光伏提水泵站的工作原理

1.1风力提水泵站的工作原理

人类较早开发利用的机械设备之一为风力提水。传统的风力提水为低速运转机械设备，属于风车驱动的往复式积水泵，其对风能的利用效率低下，通常小于10%，出水状态不理想，断断续续的非连续出水状态无法满足供水的需求。随着科学技术水平的不断提高，发电式提水系统逐渐取代了传统的风车驱动提水系统，其运转效率高、布置方式灵活多样、安全性能较高。发电式风力提水系统的工作原理为：风轮可将收集到的风力进一步转化为机械能，从而拉动风力提水泵站的运行。发电机与泵水设备利用控制器实现匹配兼容，达到提水的目的，提出的水通过输水设备输出到各个需要供水的地方，以满足动植物的用水需求。

1.2光伏提水泵站的工作原理

控制器、光电池以及光伏水泵是光伏提水系统的主要构成部分。太阳能辐射可以直接通过光电池转化成电能，然后通过控制器的处理，将直流电转化成交流电。只有交流电才能够实现逆变，从而达到对水泵跟踪和控制的目的。在光伏提水系统中，杨水是靠潜水电泵装置实现的，主要包括配电系统、控制系统、潜水水泵、用水终端。其基本工作原理与风力提水系统的工作原理相似，特点是稳定性高、效率高，能基本满足农田，蓄区以及草场的用水需求。

1.3泵站设计的一般要求

无论是风力提水泵站，还是光伏提水泵站，其泵站设计的一般要求主要体现在以下3方面：①对于障碍物的控制。风能和太阳能属于可再生资源，其产生具有特殊性要求。无论是风力提水泵站，还是光伏提水泵站，在修建时其四周都不可出现阻风和挡光的障碍物。如果不可避免障碍物存在，一定要注意障碍物与风力机之间的距离。主风方向与障碍物的距离至少要保持在5倍以上，其他方向的距离至少要保持在2倍以上。对于光伏阵列而言，其距离要以冬天障碍物的最长影长为准。②对于较大容器的提水泵站而言，要求建立专门的控制室，且必须搞好控制室的硬件设施，配备完整的取暖和通风设施，并搞好墙面的粉刷与地面的硬化工作；③蓄水池的位置。蓄水池一般选择建立在高地，要注意控制蓄水池周围的环境建设，不可在蓄水池周边建垃圾场，以免水源遭到污染。

2浅析风力和光伏提水泵站的优化设计

2.1总扬程的确定

所谓“总扬程”，是对于风力提水泵站的设计而言的。在一定风速下，应保证供给水量与抽水水量的平衡。此时，出水口刀动水位的垂直高度与管道产生的阻力之间构成的和即总扬程。而对于光伏提水泵站的总扬程，是在定额电能作用下，保持供给水量与抽出水量之间的平衡状态，距离与管道阻力之间的和。根据其公式表达式可知，总扬程就是终端垂直距离与蓄水池高度加上管道阻力之间的和。

2.2泵站日均提水量的确定

一般而言，泵站日均的提水量是有定额可循的。在风力提水泵站中，其日均提水量的确定方式为：在日均一定的总扬程下，同级别风速下水泵流量与不同级别有效风速之间的乘积，然后除以365d，这就是风力提水泵站日均提水量的确定方法。在光伏提水泵站中，其日均提水量的确定方法为：在定额扬程的设定下，不同级别之间的有效光照加上流量乘积，就是光伏提水泵站日均提水量。风力和光伏提水泵站日均提水量的确定不仅可以优化供水方案，还能节省风能与太阳能等资源，是优化设计提水泵站的有效途径。

2.3设计蓄水工程

要想从根本上提高风力和光伏提水泵站的能力和水平，就需要不断优化泵站设计的各个部分。只有这样，才能达到理想目标。因此，不断优化蓄水工程，是提高风能和光伏提水泵站科学性的关键所在。具体而言，应确定蓄水工程的形式。蓄水工程的建设要严格考察周边环境，全面了解当地的地形地貌，确定建设材料的材质，把关蓄水工程的用途，选用与地形地貌相适用的水窖、水池或水罐等的形式。不可将蓄水池建在地质灾害频发的地区，应该将蓄水池建在高处，不易受到地质灾害的影响。此外，还要注意控制风力、光伏提水机组扬程与蓄水池之间的高度差，蓄水池的容量要控制在总扬程之内，既不能超过总扬程的设定，也不能小于日均提水量的3倍。蓄水池建好以后，还需要在相应位置设置泄水道和堵水池，防止洪涝和旱灾的影响。

2.4输配水工程的设计

当蓄水池建好以后，需要优化输配水工程设计。在输配水工程中，最主要的是输水管线的设计和布置，应把握以下3个方面的内容：①位置的设计。在设计输配水管线的过程中，要把握好蓄水池的位置，住户的分布以及地形地貌等因素，既要满足供水的需要，又要避免不良地段。②具体问题具体分析。输配水管线的铺设并不是统一规划的，而是需要结合当地的地形地貌、经济发展状况以及住户对水的需求量来确定的。当规模较小时，可以采用单管布置的形式；当规模较大时，则需要优先采用重力输送的方式。③注重排气阀的设置。输配水管线每隔一段距离都需要设置自动排气阀，保持管线内压力平衡，降低因受压不均而产生爆炸事件出现的概率。

3结束语

综上所述，风力和光伏提水泵站的工作机理大同小异，其根本目的都是为了满足农田灌溉、草场灌溉以及牧区用水。为了不断优化设计风能和光伏提水泵站的设计，要从其构成部分入手，加强输配水工程的设计，优化设计蓄水工程，确定风力和光伏提水泵站的总扬程和日均提水量，从而实现风力和光伏提水泵站科学化的根本目标。

作者:陈建刚 单位:中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司

参考文献:

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［2］吴万禄，韦钢，谢丽蓉.风光水互补发电系统的优化配置［J］.电力与能源，2014（01）.

［3］吴万禄，陈峦.风光互补发电系统的调度策略研究［J］.水电能源科学，2011（12）.