风力提水（光伏提水）在草原生态建设中的应用前景＊

倪小光，苏佳楼，高庭智，邢 旗，孔庆伟，包铁明

（1.内蒙古草原勘察规划院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古锡林郭勒盟草原工作站，内蒙古 锡林浩特 026000）

1 概述

能源是现代社会和经济发展的基础，而我国的能源利用现状是：远期能源面临工业矿物资源枯竭的问题，近期能源面临环境污染的压力。据电力部门统计2002年电力缺口将过5千万度电。而中国现有9亿人口生活在农村、牧区和边远山区，其中，约有6.5千万人口没有用上电，其生产和生活受到很大影响。因此改善能源结构，利用清洁可再生能源，减少环境污染，提高人民生产水平和生活质量，成为能源与发展中的核心问题。

太阳光照在地球上，由于辐射能量不均，地球表面吸收热量和水蒸气的含量不同，因而引起各地气压的差异，在水平方向高压空气向低压地区流动，即形成风。风能作为能源的一种，只要太阳不灭，它取之不尽，用之不竭。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。据估算，全世界的风能总量约1300亿kw，中国的风能总量约为16亿kw，我区的风能总量约为5亿kw。内陆风能资源最好的区域，是沿内蒙古至新疆一带，风能密度在200～300w／m2，3～20m／s风速年累积5000～6000h。

风能是目前最有开发利用前景的一种新的可再生能源。风能利用的主要方式是风力发电、风力提水、风力排水等。虽然相对常规能源来说，风能的能量密度较低，但从人类的发展及技术逐步成熟的角度看，风能对中国经济、社会、环境将起重大作用。

2 风能资源分布

我国适宜风能提水的区域辽阔，就北方地区而言，内蒙古、青海、甘肃、新疆北部河谷地带，风能资源丰富，是较佳的风力区。

我国风能区划可分为以下3个区域：

（1）风能区：1年内风速超过3m／s以上超过半年；6m／s以上超过2200h。

（2）风能较佳区：1年以内风速超过3m／s以上在4 000h；6m／s以上多于1 500h。

（3）风能可用区：1年内风速超过3m／s的时间为3 000h；6m／s以上为3000h的地区。

以上3类地区占到全国总面积的1／3。内蒙古10m高度可开发利用的风能储量为1.01亿kW，占全国总储量的40%，居全国首位，风能丰富区的面积为46万km2。内蒙古西部、北部的大部分地区，年平均风速均超过4～6m／s，3～20m／s的风速累计4000～5000h。这里正是内蒙古的干旱草原区，人口稀少且分散，难通电网，生产和生活条件恶劣。利用风力提水（光伏提水）为人畜提供饮用水或进行小范围的草场、饲草料基地灌溉不失为一条切实可行的方法，将极大地改善当地农牧民的生产、生活条件，具有广阔的发展前景。

图1

图2

图3

3 太阳能资源分布

太阳能资源的分布具有明显的地域性。这种分布特点反映了太阳能资源受气候和地理条件的制约。在我国有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳辐射总量为3 340～8 400〔MJ／（M2·y）〕，中值为5 852〔MJ／（M2·y）〕。内蒙古海拔较高，晴天多，太阳辐射强，日照时数也较多。全区总辐射量在4 830～7 014〔MJ／（M2·y）〕之间，仅次于青藏高原，居全国第2位。日照时数在2 600～3 400h，是全国的高值地区之一，太阳能资源异常丰富。全区太阳能资源的分布自东部向西南增多，以巴彦淖尔市西部及阿拉善盟最多。1年之中，4～9月辐射总量与日照率都在全年的50%以上。特别是4～6月，东南季风未到内蒙古境内，所以空气干燥，阴云天气少，日照充足。

图4

图5

4 风光互补性特点

内蒙古自治区深居内陆，大陆度高，区内风能、光能资源都非常丰富。全区太阳能资源与风能资源具有相似的时间变化规律；但风能资源在时空分布上具有很大的不同，但两者都具有明显的季节性。因此太阳能和风能的互补性呈现出很大的差异，单纯利用某一种能源会出现一定时段内供能不足，甚至出现停止供能的现象。因此充分研究利用全区各地风能和光能资源在时间分布上的互补性具有非常重要的工程应用价值。

5 风力提水（光伏提水）的发展状况

风力提水在我国北方及沿海地区都以成功使用多年，并已形成了一批技术较完善，规模较大的定点生产厂家。但总体来看与国外同类产品相比，在技术性能上均有明显的差距。主要表现在提水扬程小，流量也不大，机械式风车对使用维护技术要求较高，而且机械式风车均不能提供足够大的上扬程，制约了其在灌溉上的应用。我们引进的加拿大风车、（武汉）美国铁人风车、吉林市大新高能抽水风车，属国内较大型的机械式风车。

与机械式风车相比，风力发电提水机由于使用潜水泵提水，能够提供灌溉系统所需要的水力压头，是风力提水灌溉的最适宜机型。水利部牧科所、内蒙古草原勘察规划院是内蒙古地区从事该项研究开发较早的科研单位，在国家“863”和内蒙古自治区农业综合开发项目的支持下，取得了一批风力提水的新型实用技术，最早开发的FD2000型风力发电直趋提水机，太阳能光伏提水系统现已推入市场。

FD2000型风力发电提水机最大优势在于摆脱了蓄电池及整流逆变装置，通过模块智能控制系统直接将专用发电机与交流变频潜水泵匹配组成了各种系列的风力发电提水机。解决了长期以来由于水泵与风轮扭矩特性差异大、功率不能在一个区间吻合的难题，使机组从启动到额定风速之间基本能够在高效工况下工作，实现了水泵从柔性启动到最大功率之间的平稳工作。该项技术从根本上解决了使用蓄电池造价高寿命短的推广制约因素，是近年来风力发电直趋提水应用技术的一个突破。具有很好的推广使用价值。

太阳能光伏提水是近几年随着光伏组件技术的完善和光伏材料价格的不断下降而逐步进入了使用推广阶段。其明显优势是技术先进、自动化程度高、使用寿命长，系统功率大小可以根据负载的使用要求灵活组合。

6 风力提水的技术类型

风力提水从不同的利用角度分为以下几种类型：

从能源转换类型上分为风力机械传动提水机、风力发电提水机；从设计参数上分为低扬程大流量风力提水机、高扬程小流量风力提水机；从水泵结构上分为往复式水泵提水机、旋转式水泵提水机、空气压缩提水机；从应用范围上分为人畜饮水用提水机、灌溉用提水机、低位排水用提水机和其它用提水机。

各种方式的提水机在其技术上各有优缺点。目前，我国已形成了南方型低扬程大流量的风力提水机和北方型高扬程小流量风力提水机组两大系列，十几个产品型号。

一般来说，低扬程大流量提水机多采用旋转式水泵，主要用于提取地表水和浅层地下水，适用于南方地区；高扬程小流量提水机多采用于往复式水泵，用于提取深层地下水，适用于北方地区。由于提水扬程和提水流量这两个参数在设计上难以同时兼顾，对设备技术要求较高，故国内上市产品较少。

风力提水（光伏提水）的设备选型应充分考虑当地风能、太阳能资源状况。一般来说，机械式风车由于采用了低速大扭矩风轮，启动风速比较小，在夏季3m／s的风速下就可以启动提水。而通过摇臂连杆机构驱动的往复式活塞水泵能量转化效率比较低，整机平均为10%。

风力发电直趋提水机虽然多了一级能量转换，但由于风力发电机的风轮采用的是现代流线型桨叶，风能利用系数CP值较高，风力发电机的效率一般为30%，水泵容积效率为50%，故风力发电直趋提水机的整机效率为15%，高于机械式风车。风力发电直趋提水机由于不配套蓄电池和逆变装置，以蓄水代替蓄电，故运行费用较低，便于在牧区推广。按近期的市场价格测算，每千瓦的设备投资约1万元，略低于机械式风车。

风力提水机如果用于灌溉，则作物最大需水季节与最大风季节出现矛盾，设备利用率较低，大面积的农作物灌溉应采用光伏直趋提水系统效果更好。

图6

7 太阳能光伏提水系统

太阳能光伏提水系统由太阳能发电设备、光伏提水逆变器和水泵3部分组成。太阳电池阵列由多块太阳电池组件串并联而成，将日照辐射能量转化为电能，为整个系统提供动力电源。光伏提水逆变器对系统的运行实施控制和调节，将太阳电池阵列发出的直流电转换为交流电，驱动水泵，并根据日照强度的变化实时地调节输出频率，实现最大功率点跟踪，最大限度地利用太阳能。

光伏提水逆变器，可根据日照强度的变化调节水泵转速，使输出功率接近太阳电池阵列的最大功率。当日照很充足时，保证水泵的转速不超过额定转速；日照不足时，根据设定最低运行频率是否满足，否则自动停止运行。

水泵由三相交流电机驱动，从深井中抽水，注入蓄水箱，或直接接入灌溉系统。根据实际系统需求和安装条件，可采用不同类型的水泵工作，也可同时驱动多台水泵同时或轮换工作。

光伏提水系统中省却掉蓄电池储能装置，以蓄水替代蓄电，直接驱动水泵扬水，减少系统投资成本。

光伏提水装置具有运行稳定、使用寿命长、自动化程度高等特点，使用寿命在20年以上，使用成本极低，几乎不需要维修。特别适用于无电地区饮水和灌溉。

光伏发电系统全自动运行，装置的可靠性高，无须人工值守。

光伏直趋提水系统一般都采用能量跟踪控制，并具备自动缺水保护、蓄水满水保护、防冻保护、智能故障保护等先进模式，实现不同扬程下，流量与能量之间的自动平衡。

光伏直趋提水系统可以根据地区、客户不同需求设计匹配不同功率的系统解决方案，使用灵活。

按近期的市场价格测算，每千瓦峰的光伏系统设备投资约1.5万元，略高于机械式风车和风力发电体会系统。

系统示意图如下：

图7

图8

晴天条件下日运行曲线

表1 光伏提水系统典型配置方案

8 风光互补发电提水系统

表2 风光互补发电提水系统典型配置方案

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流负载组成，该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。

风力发电部分是利用风力机将风能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电。

光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。

逆变系统是把蓄电池中的直流电变成标准220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量。

控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。

蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。

与单独风力发电或光伏发电相比，风光互补发电的优点是：利用风能、太阳能的互补性，可以获得比较稳定的输出，系统有较高的稳定性和可靠性；在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量。

根据地区、客户不同需求，通过合理地设计与匹配，可获得各种最佳的系统解决方案。

在太阳能和风能资源条件比较好的地区，综合考虑太阳能和风能在多方面的互补特性而建立起来的风光互补发电系统是一种经济合理的供电方式。该供电方式在解决边远地区的能源供应中发挥着积极的作用。

表3 2600W风光互补发电提水系统典型配置方案

图9

9 应用前景

9.1 解决牧区人畜饮水

内蒙古、甘肃、新疆等边远牧区，由于干旱缺水，在没有使用自动化提水设备以前，人畜饮水占用了牧民1天中的大部分作业时间，已经明显地制约了畜牧业生产经营活动，是现代牧区亟待解决的现实困难之一。80年代末在锡林郭勒盟进行的示范试验表明，用风力提水1年4季可以有水供应，与柴油机组提水相比，每头牲畜的年均饮水费用可降低一半。实践表明，使用风力提水具有诸多优点，据测算，1台风力提水机代替柴油抽水机光燃料费1项，每天能节约5元，每年能节约1800元。

适合于内蒙古牧区饮水使用的设备推荐选配：小型机械式风力提水机、FD－2000型风力发电提水机、300～1 000wp型光伏提水系统、1 200wp风光互补发电提水系统。

由于饮水用提水机流量扬程较低，设备或系统造价不高，结合国家草原生态建设项目的资金支持，在牧区普及推广前景广阔。

9.2 牧区饲料地灌溉

随着退牧还草、舍饲圈养、草原生态补偿等国家项目的实施，建设牧区小型高产饲料基地是减低牧民饲养成本，提高生产生活水平的重要保证。中扬程中流量的风力提水机（光伏提水系统）可配套微灌或滴灌系统，可为饲料基地或人工草地实现低成本灌溉。为天然草场灌溉可实现低成本运行。

以10亩饲草料基地的浇水费来计算，灌溉1次可节省150元，1年5次，节省750元。节省人力，减轻劳动强度。还可避免柴油废气的排放量，保护环境。

最适用机型为1 000～5 000wp的太阳能光伏提水系统。

9.3 治沙种草

沙漠治理一直是生态环境建设的重中之重，也是难中之最。经多年比较可以看出，凡经风力提水（光伏提水）引水能覆盖的地区，植被恢复迅速，流沙基本遏止，故在西部109万km2的沙地、荒漠边缘，可以划定围封保护区，对沙地荒漠运用拉力式的供水覆盖，并逐步建立综合林草防护带，其对生态建设及开发是切实可行的。

9.4 排水

水分是作物生活必需的物质条件，但土壤中水分太多就会与作物生长的另一个重要因素——土壤透气性发生矛盾，同时对土壤本身的性质也带来不良影响，并逐步盐碱化。利用风力提水（光伏排水）就在土地整理上可以比通常抬高畦地，修筑网格排水渠实现较低投入的盐碱地改良，安装风力提水机（光伏排水）后，只需挖掘一定密度的排水渠，可以及时不断的排除土壤中多余有害的水，使地下水位降低到一定的深度，并使一定深度土层的土壤水分达到作物适宜生长的状况。风力排水（光伏排水）将有效解决土壤除涝防滞灾害，大面积的盐碱地和中低产田将有望得以改良。

10 几点思路

目前我国农业要进行产业结构的调整，大力发展现代畜牧业是整个农业发展的趋势，但我们不可能再回到自由放牧、传统经营的老路上，必须针对目前出现的种种矛盾找到一种科学的生产经营模式来发展畜牧业，为未来农牧场建设提供一个参考模式。

由于我国北方牧区多年采用了自由放牧的经营方式，畜牧业机械的研究和生产长时间停滞，随着经营模式的日渐扩大以及人工草场，围栏封育，划区轮牧模式的出现，对机械化操作的要求越来越高。示范牧场从农田耕作，草地灌溉，牧草收割，肉奶产品的加工大都依赖于机械化操作，不仅提高了生产效率，而且极大地减轻了农牧民负担。农牧业机械化是中国农牧业迈入现代化的基本保障。但这些机械设备投入后都在后期使用中出现问题，道理很简单，这些大型设备都需要配备相当功率的动力源。使用者经过对比发现，经使用电（或柴油机）驱动的设备，远比他们传统劳作方式产出的作物成本高。

有一个突破口或许能解决投资—使用—市场三环节出现的问题，那就是用低成本无污染的能源来取代目前设备所采用耗电或燃油驱动方式。最典型的莫过于风能和太阳能。如利用风力发电机来驱动畜牧业机械加工设备，利用风力发电来灌溉，利用风力提水来取代大型喷灌溉机等。当然，这些风源机械的使用尚需一定的时间，因为一套性能良好的机械设备涉及到很多领域技术的同步提升。从目前国内外对风能和太阳能的开发成果看，一些中小功率的产品技术已完全成熟，并在生态建设项目中得以应用，一些大功率低成本性能优良的产品尚需各科研单位和企业的进一步研制开发。

11 发展方向

11.1 用风力发电机组代替燃油动力设备

小型风力发电机已在牧区生活电器中普遍使用，而中功率的风力发电机则需要不断的开发推广，可用于饲草料粉碎机等畜牧业机械，以及饲草料基地灌溉提水。

11.2 用中扬程中流量风力提水机（光伏提水）替代电力（燃油）灌溉设备

生态建设中水是各制约因素的核心，传统灌溉中深井配套大功率水泵将会随着国家电价的提高而转价到农牧民的经营成本中，大型喷灌机组的使用使这一问题更显得突出，而用风能取代传统能源，使用费用会大幅度降低，产出的产品才具有竞争力。

11.3 以小管井配小型风力提水机（光伏提水）取代深井配大泵

随着“退耕还林还草”、“划区轮牧”等项目的实施，农牧民大多数只需要几十亩的饲草料基地，再辅以小型饲草料加工机械即可维持生产，无须开采深层水，只需将雨季存于潜水层的地表水利用到小管井内，可有效摆脱了靠天吃饭的困境。

比如多伦县水利部门实施的项目将国家投资直接拨付到每家每户，牧民自己再出一部分钱，全县3年共打小管井近三千眼，如能将他们现在使用的柴油机（或发电机）用风力提水代替则效果会更佳。

11.4 用小型风力提水机灌溉人工草地，提高产草量

随着国家经济实力的不断提高，天然草场的改良必将是生态建设的重点之一，人工草场的面积的逐渐扩大将是牧民提高生活水平的重要保障。低成本的灌溉设备将会在人工草场建设和天然草场改良中发挥重要的作用。

11.5 用风车提水（光伏提水）配微灌滴灌替代大型喷灌

节水灌溉已成为水行业的之本。传统漫灌不仅浪费水资源，还会提高地下水水位，导致土壤返碱，肥力流失。喷灌虽然可节约一半的水量，但是在干旱地区还有其明显不足，如半固定移动式喷灌，虽然设备投资较低，但地上铝管频繁移动，使操作者觉得很麻烦，管材也容易损坏，大型喷灌机组使用效率虽然高，但其运行成本高，为这些现代化设备普遍推广使用一大障碍。

节水灌溉技术在中国推广使用多年，基本上是小型柴油机喷灌—管道式喷灌—机组式喷灌一微灌滴喷等技术的先后顺序推广使用的。而—用风力提水机（光伏提水）配套微灌、滴灌的思路则在牧区尚未见到。从我们对微灌、滴灌的设计计算结果看，一些性能较高，流量较大的风力提水机（光伏提水）则完全能满足作物的灌溉定额。从2006年起，内蒙古草原勘察规划院在“退化沙化草地治理”和“农业综合开发科技支撑”等项目的实施中将塘坝拦蓄地表水－风力提水机（光伏提水）—提取浅层水—配套微灌滴灌系统—饲料地灌溉的利用模式在四子王旗、西乌珠穆沁旗和锡林浩特市天然草地上做了有益的尝试，并取得了较好的效果，这一思路在草原生态建设及新农村建设中起到示范作用，其推广应用将大有前途。