光伏牛棚提水系统的设计过程浅析

Design Process of Photovoltaic Cattle Shed Water Supply System

摘要

本研究旨在设计一种离网光伏系统与牧区生产生活场景深度融合的创新方案光伏牛棚提水系统，基于高海拔地区（西藏那曲海拔 > 4 500 m）的特殊气候条件，进行系统创新设计，包括高海拔光伏提水系统的设计、光伏系统与牛棚的耦合方式以及为设备选型，设计一款结合当地风俗文化、根据西藏乡村建设需求所建设的光伏牛棚提水系统。该系统预计每年为用户节省近3万元，每年直接产生经济效益超过0.5万元，尤其适合在牧区进行应用推广。结果说明根据西藏地区新农村建设的现状和发展方向，最适合在西藏新农村建设中推广应用的光伏发电应用形式是离网光伏发电。但在离网光伏电站的优化设计过程中，需要考虑电站所在地环境因素、人文因素等实际需求。

Abstract

This study aimed to audit an innovative solution that would integrate a stand-alone photovoltaic system with the production and living scenarios of a pastoral, the photovoltaic cattle shed water lifting system. Based on the specific climatic conditions of high altitude areas (the altitude of Naqu, Xizang, >4,500 m), the system was innovatively designed, including the design of a high-altitude photovoltaic water lifting system, the coupling mode of the photovoltaic system and the cattle shed, and the selection of equipment. A photovoltaic cattle shed water lifting system that combined local customs and culture and the construction needs of rural Xizang was designed. This system was expected to save users nearly 30,000 yuan per year and directly generate an economic benefit of more 5,000 yuan per year, especially suitable for application and promotion in pastoral areas. The results show that according to the current situation and development direction of the rural construction in Xizang, the most suitable form of photovoltaic power generation application for promotion and application in the new rural construction in Xizang is off-grid photovolic power generation. However, in the process of optimizing the design of off-grid photovoltaic power stations, it is necessary to consider the actual needs such as environmental and human factors in the location of the power station.

Graphical abstract

关键词

西藏 / 光伏供电提水系统 / 应用探索

Key words

Xizang / Photovoltaic power supply water lifting system / Application exploration

随着近年来太阳能光伏发电技术的不断发展，太阳能光伏的利用方式取得了巨大的进展，尤其是与建筑结合的应用方式成为太阳能利用发展的主流趋势^[1]，而在太阳能光伏的利用方式中，小型光伏离网系统对当地的环境影响较小，在发电过程中不会对电站所在地的空气和水环境造成污染，对于生态环境薄弱的西藏尤其适合^[2]，对推进当地的环境保护工作具有较大的意义。利用光伏发电技术推动西藏乡村基础建设，助力农牧业现代化建设，从而提高农牧民收入是新能源在西藏新农村建设中利用的未来趋势^[3-5]。

小型光伏离网提水系统采用微电网运行，大大降低提水运水成本，使终端用户获益。目前光伏提水大规模应用主要是离网型光伏扬水系统，该系统由光伏扬水逆变器、光伏阵列、水泵等组成，不装设储能电池装置，系统简单可靠，具有快速建造、运行期可无人值守的优点，缺点是光伏电源和水泵电机的规模较小、提水量小同时此类配套光伏系统一般仅负责满足提水系统的用电^[6-8]。

本文对小型光伏离网系统具体应用进行研究，在高寒高海拔地区设计一种小型光伏离网提水系统，并根据西藏那曲市某村养殖合作社地理位置、太阳能资源以及负载情况，建设了一个满足当地群众需求下的光伏供电提水系统，探索高海拔地区牧区太阳能应用新方式。

1 选址及资源分析

1.1 那曲市太阳能资源

我国幅员辽阔， 有着十分丰富的太阳能资源。根据我国“中国风能太阳能资源年景公报(2022年)”和太阳能资源总量等级划分标准，西藏大部地区属于太阳能资源最丰富区^[9]，尤其那曲地区，极其适合大力发展新能源。

1.2 系统所在地区域条件

系统所在地海拔4 886 m，所在地属于亚高寒带季风半干旱气候区，天气干燥，高寒缺氧，没有明显的四季特征，年平均气温大概在-2.9 ℃到3.4 ℃，年日照时长在2 400 ~ 3 200 h^[10]，生态环境极其脆弱。用户为某村村办合作社，主要经营牦牛养殖、肉制品、奶制品加工，现饲养牦牛共计219头，共有管理人员宿舍2间，草料仓库1座，暖棚1座。无电力接入，依靠小型太阳能户用系统维持生活用电，用水依靠小型车辆从附近村委会水房托运。电力和水源的限制严重影响了牦牛的养殖。

2 光伏供电提水系统设计方案

2.1 方案设计

结合实施地用电、提水需求时段特征、参照实施地日照变化特点及规律，根据建筑物（牛棚）的特点，开展光伏发电和建筑物结合及光伏供电提水技术集成研究，进行高寒高海拔地区光伏提水系统优化设计，解决系统牦牛养殖产业的适用性问题，以及光伏系统在高海拔地区的蓄电池保温问题，验证设计的可靠性的同时为该技术在西藏高寒高海拔无电或缺电地区的推广奠定坚实基础。

本系统为一套耦合牛棚建筑的适用于高寒高海拔地区的光伏供电提水系统设计，主要是由牛棚、太阳能电池方阵、储能系统、提水系统组成，包括有光伏组件、储能电池、水泵等机械。

根据牦牛养殖实际需求，有针对性地优化光伏系统供电提水系统，将光伏系统与牦牛圈进行结合，使光伏组件作为牛圈的棚顶，使牛圈围挡作为光伏组件的支撑。通过牛棚顶部的光伏组件吸收太阳能利用光生伏打效应进行发电，然后通过储能系统将太阳能转化的电能存储起来，通过逆变器供电给提水系统及照明系统，驱动水泵将水从水井中泵出，多余的电力采用铅酸胶体蓄电池进行存储，同时在泵房配置了断路器，确保水泵运行的安全性。实现牛棚及养殖人员住宅的电、水联合供给，解决用户的用电用水和牦牛的饮用水问题及根据实际需求解决牦牛棚圈过小的问题。

2.2 负载平均日用电量的估算

为了确定所有负载的总用电量，也就是用户平均每天需要消耗几度（kW·h）电量，就需要确定用户每个负载的用电量。所以需要了解各用电负载的功率（W）、每日运行总的时间（h）、每周使用的天数等。

该系统根据实际使用场景，即系统所在地为冬季放养牦牛地点，地处牧区，该地农牧民保持有一定程度的游牧状态（夏季在夏季牧场放养牦牛，冬季回冬季牧场放养牦牛），故主要考虑工作时间为冬季牧场时间（主要指10月至次年4月）。

在统计耗电量时，有时会遇到有些用电负载在一周内只运行几天，有些负载可能24小时都在运行的情况，故对所有负载进行单独的用电量计算。

\mathrm{每日}\mathrm{平均}\mathrm{用电}\mathrm{量}(\mathrm{k}\mathrm{W}·\mathrm{h})=\frac{\mathrm{用电}\mathrm{器功}\mathrm{率}(\mathrm{W})\times \mathrm{0.001}\times \mathrm{日运}\mathrm{行小}\mathrm{时数}(\mathrm{h})\times \mathrm{周运}\mathrm{行天}\mathrm{数}}{\mathrm{7}}(1)

通过1周内的负载运行情况基本可以反映出每个月以及全年的运行情况。采用表所示的负载耗电量统计表进行统计和分别计算。合计该系统负载为6.53 kW·h。

2.3 蓄电池容量的设计

储能系统主要是指蓄电池，通过蓄电池存储电能，在太阳辐射量不足（夜间或者阴雨天）时，起到备用和过渡作用，保证系统负载的正常工作。考虑到技术成熟、成本及西藏地区偏远，设计实施后的安全性及可靠性，从更加充分地利用太阳能的角度出发，采用铅酸胶体蓄电池。

蓄电池容量取决于负载的需求，其容量的计算，需要在设计时引入一个名为连续阴雨天数的气象条件参数。其计算公式如下：

\mathrm{蓄电}\mathrm{池}(\mathrm{组})\mathrm{容量}=\frac{\mathrm{负载}\mathrm{日耗}\mathrm{电量}(\mathrm{W}·\mathrm{h})\times \mathrm{连续}\mathrm{阴雨}\mathrm{天数}\times \mathrm{放电}\mathrm{率修}\mathrm{正系}\mathrm{数}}{\mathrm{系统}\mathrm{直流}\mathrm{电压}(\mathrm{V})\times \mathrm{逆变}\mathrm{器效}\mathrm{率}\times \mathrm{蓄电}\mathrm{池放}\mathrm{电深}\mathrm{度}\times \mathrm{低温}\mathrm{修正}\mathrm{系数}}(2)

在本公式中，蓄电池容量单位是安时（A·h）；放电率修正系数根据经验取值0.98 ~ 0.9，此处取值0.9；系统电压是指在系统中确定的蓄电池或蓄电池组串联后的总电压，单位是伏（V），取值192 V；为保证铅酸电池的使用寿命，需除以最大放电深度系数（取值0.5），用以保证铅酸电池不会进行100%的放电，因此；逆变器效率因数（取值0.85）。低温修正系数（容量-温度曲线图显示在-10 ℃时值为0.75）。

放电率为放电时间和放电电流与蓄电池容量的比率。

\mathrm{平均}\mathrm{放电}\mathrm{率}(\mathrm{h})=\frac{\mathrm{连续}\mathrm{阴雨}\mathrm{天数}\times \mathrm{负载}\mathrm{工作}\mathrm{时间}}{\mathrm{最大}\mathrm{放电}\mathrm{深度}}(3)

由于本设计为多路不同负载的光伏系统，需采用加权平均法计算负载工作时间。

\mathrm{负载}\mathrm{工作}\mathrm{时间}=\frac{\sum \mathrm{负载}\mathrm{功率}\times \mathrm{负载}\mathrm{工作}\mathrm{时间}}{\sum \mathrm{负载}\mathrm{功率}}(4)

根据实施地电器耗电量（6 530 W·h）、连续阴雨天数（1 d）、放电率修正系数（0.9）、系统直流电压（192 V）、逆变器效率（0.85）、蓄电池放电深度（0.5）、低温修正系数（0.75），计算可得储能系统总容量为96.03 A·h，具体每类电器所需的储能容量为表2。

其中系统工作电压为192 V，蓄电池标称电压12 V，蓄电池标称容量80 A·h。通过已有数据计算可知蓄电池串联数及并联数，蓄电池串联数=192/12=16块；蓄电池并联数=96.03 A·h/80 A·h=1.2块≈1块；计算可知，共需要16块12 v/80A·h蓄电池串联构成蓄电池组。

2.4 光伏组件的容量设计

光伏组件的容量设计需要满足负载年平均日用电量的需求。所以，设计和计算光伏组件容量大小时需采用负载平均每天所需要的用电量为基本数据，以当地太阳能辐射资源参数如峰值日照时数、年辐射总量等为参照数据，并结合一些相关因素数据或系数而进行综合计算。

设计和计算光伏系统容量，有很多种方法，本设计为小型离网太阳能光伏发电系统，故根据统计出的负载每日平均耗电量总和进行计算，具体计算公式为：

\mathrm{光伏}\mathrm{组件}(\mathrm{方阵})\mathrm{发电}\mathrm{容量}=\frac{\mathrm{负载}\mathrm{日耗}\mathrm{电量}(\mathrm{W}·\mathrm{h})}{\mathrm{峰值}\mathrm{日照}\mathrm{时数}(\mathrm{h})\times \mathrm{系统}\mathrm{效率}\mathrm{系数}\times \mathrm{逆变}\mathrm{器转}\mathrm{换效}\mathrm{率}\times \mathrm{储能}\mathrm{系统}\mathrm{充放}\mathrm{电效}\mathrm{率}}(5)

在本公式中，系统效率系数主要与光伏组件的功率衰减、蓄电池的充放电损耗、线路损耗、尘埃遮挡等因素有关，确定系统效率系数根据经验一般取值为0.9；本系统采用10 kW逆变控制一体机，转换效率取0.85；蓄电池采用华富储能的胶体蓄电池，其充放电效率取0.85。

在计算中需将太阳辐射能量换算为峰值日照时数，换算公式如下：

\mathrm{年峰}\mathrm{值日}\mathrm{照时}\mathrm{数}=\frac{\mathrm{辐射}\mathrm{量负}\mathrm{载日}\mathrm{耗电}\mathrm{量}(\mathrm{W}·\mathrm{h})}{\mathrm{3.6}}(6)

辐射量的单位为兆焦/平方米（MJ/m²）；3.6为换算系数根据那曲地区（示范地点：纬度 31.0178°N经度92.0794°E 海拔4 886 m）太阳能辐照资源数据，进行计算得出45°倾斜表面月平均太阳辐射总量（MJ/m²·日）和不同月峰值日照时数（h），如下图：

根据系统具体使用时间段为冬季，为确保系统工作，选取最低值12月峰值日照时数进行计算，即：5.35 h。依据实施地电器耗电量（6 530 W·h）、当地峰值日照时数（5.35 h）、系统效率系数（0.9）、逆变器效率（0.85）、储能系统充放电效率（0.85），计算可得满足各类电器光伏组件功率为1.84 kW，具体每类电器所需的光伏组件功率为表3。

根据上述计算，计划配置容量为1 280 A·h的储能系统，在光照情况良好的情况下充满蓄电池组大概需要光伏组件容量：1 280 Ah × 12 V÷5.35 h+1 877.06 W≈4.75 kW。考虑那曲阴雨天较多，光伏组件装机容量应考虑一定的冗余，本套系统按照120%的装机容量进行预留，即：光伏组件容量应大 ≧ 5.7 kW。

2.5 光伏系统设备选型

2.5.1 光伏组件选型

太阳能电池组件的选择需对目前各种太阳能电池组件的技术成熟度、尺寸、运行可靠性等进行综合考虑，且需额外考虑电站所处地区的施工条件、交通运输条件及示范实施的特殊需求（光伏组件与牛棚棚顶的结合），最终选用适合离网光伏电站使用的阿特斯600 W单晶硅组件（尺寸2 172 × 1 303 × 35 mm）。共安装10块600 W单晶光伏组件，采用组件一排竖装，朝向正南，10块组件连接为一串。直流侧接入配电房内组串式逆变器（10 kW）。

光伏板采用混凝土配重式基础与轻型钢构支架固定。组件钢支架底座采用焊接方式与基础上的预埋螺栓固定，系统主要为冬季使用，考虑冬季清雪问题和发电最佳倾角，选定组件安装倾角为42度。

2.5.2 储能系统单体选型

考虑到本系统实施地点位于那曲村庄，且该地冬季气温极低，故本系统采用铅酸胶体免维护蓄电池，选用华富储能储能胶体蓄电池6-CNJ-80（额定电压12 V，额定容量80 A·h，毛重25.1 Kg，最大充电电流20 A，使用温度范围-35 ℃ ~ 60 ℃，端子铜芯MB）。

蓄电池柜为4层结构设计，按序号依次放置蓄电池于柜中。

2.5.3 逆变控制一体机选型

因实施地较远，从可靠性和安装难度及占地空间等方面考虑选用逆变控制一体机（逆变控制一体机包括充电控制器、逆变器及保护电路等），该设备不仅安装空间小，连接线少且安全可靠，极其适合缺乏运维条件的那曲。

示范实施选定MPPT型逆变控制一体机Version 4.2，并将其与蓄电池共同放置配电室。

2.5.4 监测装置的选型

光伏发电系统的监控测量装置是各相关企业针对光伏发电系统开发的管理服务平台，通过在逆变控制一体机上加装监测装置，以图表和列表实时显示储能系统当前运行状态及数据变化。选用深圳益邦阳光有限公司开发的储能系统监控APP光储宝，对光伏发电系统进行实时持续的远程监控和数据传输。

3 研究成效及效益分析

3.1 效益分析

经济效益：根据色尼区某农牧民农畜产品专业合作社牦牛养殖需求，试制1套适用于高海拔地区的光伏供电提水系统，用于确保色尼区某农牧民农畜产品专业合作社用电用水问题，以及牦牛冬季越冬问题。系统建成后，将提供400 m²防风牛圈，解决牦牛冬季防风问题；平均每天为合作社提供20 kWh的电能和2 m³饮用水，解决合作社用电用水问题，打破制约牦牛养殖发展的水电瓶颈，按照牦牛冬季在野外生产掉膘2.5 kg，牦牛肉价格按照50元/kg计算，每年将为色尼区某农牧民农畜产品专业合作社挽回损失近3万元，有力促进某村牦牛养殖产业发展，推进乡村振兴，让农牧民群众受益。该示范实施后，建成6 kW功率的光伏电站预计将每年发电达1万kW·h，以0.5元/kW·h来计算，每年产生经济效益超过0.5万元。

环境效益：西藏高原生态地位十分重要，是我国乃至亚洲地区重要的生态安全屏障，但是西藏生态环境极其脆弱^[11,12]，该示范建成的示范电站预计将每年发电达1万kW·h，相当于一年节省1.23 t标准煤。同时可以有效地减少了对植被的破坏，为保护西藏生态环境做出了一定贡献。

3.2 研究成效

根据牦牛养殖实际需求，优化光伏系统供电提水系统，系统建成后，解决系统牦牛养殖产业的适用性问题和合作社目前用电用水问题，打破制约合作社发展的水和电瓶颈，有力促进某村牦牛养殖产业发展，对推进乡村振兴及高原地区缺电地区农牧业发展方式具有研究意义。且随着本示范持续地发挥作用，有利于提升基层群众对太阳能技术的认知程度，从而增进对新能源利用和保护生态环境的意识，有力地推动可再生能源技术在西藏的发展步伐，同时通过技术示范，对推动西藏可再生能源产业的发展将发挥积极作用。

4 结论

综合西藏地区新农村建设的现实基础与发展导向，本研究明确了光伏发电在当地能源建设中的适宜应 用形式及优化设计核心要点。研究表明，离网光伏发电是西藏新农村建设中最适合推广应用的光伏发电形 式，其核心优势体现在两方面：其一，相较于其他可再生能源发电方式，离网光伏电站在电能直接转化为 群众可便捷使用的能源方面具有更为突出的实用性；其二，该类型电站具备较高的实际发电量，能够更好 地匹配西藏乡村的能源需求^[3]。

在离网光伏电站的优化设计实践中，需以电站所在地的实际需求为根本依据，进行针对性规划。除需 充分考量当地自然环境因素外，人文因素的融入尤为关键，其中电站设计与地区风俗文化的有机结合，既 是西藏群众最为关注的核心问题，也是后续西藏乡村离网光伏电站建设中需重点推进的优化方向，这一设 计原则的落实将为离网光伏发电在西藏新农村的可持续推广提供重要保障。

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基金资助

西藏自治区自然科学基金项目零能耗西藏林卡营地(XZ202301ZR0019G)