风力提水在新疆现代化农牧业发展中潜力的思考与展望

萨肯·赛买提，莎吉达·肉孜

(1.新疆维吾尔自治区英吉沙县水利局，新疆喀什844500;2.新疆维吾尔自治区水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐830052)

当今世界上，环境和能源问题已成为人类面临的最重要问题之一。在上世纪七十年代，人们普遍认识到矿物燃料资源尤其是石油和天然气，在自然界终究是有限的。据联合国能源署2005年报告，按可开采储量预计，煤炭资源可供人类200 a、天然气资源可用50 a、石油资源可用30 a。鉴于矿物燃料资源的有限性，人们不得不重新考虑使用那些在自然界不会枯竭的新能源、可再生能源的可行性。就地球来说，可再生能源的资源极其丰富，并具有无穷无尽的再生潜力。科学家预计，21世纪的主要能源将是核能、地热能、太阳能、风能、海洋能、水电能、生物质能和可燃冰等。新能源、可再生能源具有资源可持续性、清洁性、分布均匀性等特点，必将成为未来社会可持续能源系统的支柱，其中风能是一种最具有活力的无污染可再生能源。合理利用风能不仅对发展农牧业生产有很大作用，而且对保护自然环境，免受其他能源生产所导致的公害，都具有重要意义。

1 风的形成及风能

1.1 风的形成

风是我们非常熟悉的也是很常见的一种自然现象，产生于地球大气层的对流层中。对流层上部的空气温度低、密度大，向下沉降;接近地面的下不空气温度较高，不断上升，于是对流层的空气就发生上下流动的现象，也就是这种空气流动现象形成风。

追根溯源，风是太阳能转化的产物，风来自太阳辐射和地球自转。由于地球上各地区纬度不同，所接受的太阳辐射强度也不同。在赤道和低纬度地区，由于太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强，则地面和大气接受的热量也多，温度就比较高;在高纬度和地球两极地区，因为太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量也少，温度较低。这样就形成了高低纬度之间的气压差异。高纬度和低纬度之间的温度差异形成了南北之间的气压梯度，使空气发生自然水平运动，地球赤道附近的热空气上升，并通过大气层上部流向地球南北两极，两极地区的冷空气流向赤道。但是，在地转偏向力的作用下，北半球气流向右偏转，大气环流在北半球产生东北风;南半球气流向右偏转，产生东南风。

实际上，地面风不仅受上述两个力的支配，而且在很大程度上受海洋和地形的影响。山隘和海峡能改变气流运动的方向，还能使风速增大，而丘陵、山地却产生阻力，使风速减小，独立的山峰却因海拔高使风速增大。因此，风向和风速的时空分布较为复杂。

风的大小通常用风速来衡量，风速和风向是风的两个主要特征。为了区别风的大小人们把风分为13个等级，称为风力等级，详见表1。

表1 风力等级一览表

1.2 风能

1.2.1 风能的概念

风能是地球表面大量空气流动所产生的动能。与水能一样，风能是地球上的一种很古老的自然资源;是一种最有活力、无污染、取之不尽、用之不竭的可再生能源。风能资源决定于风能密度和可利用的风能年累积小时数。

1.2.2 风能的优缺点

风能获得新生，除了世界各国普遍面临能源危机和环境污染这两个严重的问题之外，还因为其具有明显的优越性。

(1)风能取之不尽，用之不竭。风能产生是太阳辐射引起的，大约2%的太阳能可以转化为风能。只要有太阳，就有风能，全世界目前已被开发的风能仅仅是很小一部分。

(2)风能是清洁的，无污染的能源。空气不仅对人体无害，而且人和一切生物都离不开它。风能不污染环境，在被利用过程中，对环境没有任何污染物排放。

(3)风能是最经济的，不需要花钱购买的能源。风能来自大气空间，没有勘探、采掘、加工和运输问题，不需要投入资金购买。

尽管风能具有以上明显有点，其随时间变化和随高度变化。具有不经常性和不定向性等不可确定的因素是风能不可忽视的缺点。

1.2.3 我国风能资源的的分布情况

根据2006年相关资料可知，(按发电量换算)全世界的风能总量约72万亿 KW;我国可开发量约为7亿 KW～12亿KW，其中陆地约为6亿 KW～10亿KW，海上约为1亿 KW～2亿KW。目前主要开发的是陆地风能，海上风能具备很大的发展潜力。在内陆地区从东北、内蒙古到甘肃河西走廊及新疆一带的广阔地区，风能资源也很好;华北和青藏高原有些地方也有利于风能。我国风能资源的分布情况见图1和表2。

图1 我国风能分布图

表2 我国风能资源比较丰富的省区一览表

由于我国风能丰富的地区主要分布在东南沿海和岛屿以及西北、华北和东北的草原和戈壁。新疆风能资源分布情况为贫乏区域较小，主要属于较丰富区和可利用区，而且风力资源仅次于内蒙古。

2 新疆气候特性及风能利用现状

2.1 新疆气候特性

新疆维吾尔自治区位于欧亚大陆腹地，远离海岸，是我国面积最大、陆地边境线最长、界邻国家最多的省区。气候属于典型的大陆性干旱及半干旱气候，气候特点为:干燥、冬冷夏热、气温日较差大、日光照充强足、冬夏冷暖差别极大，少雨、蒸发能力大，春天多风、浮尘天气;气温日变化剧烈，冬夏长，春秋短。

新疆是多风地区，风次多，延续时间长，风季一般为3～6月及8～9月，风向主要为西北和东北风，风力一般5～9级，最大10～12级。

2.2 新疆风能利用现状

目前对于风能的利用，世界上有两种方式:一种是采用机械装置把风能直接转化为机械能，直接为人们所用，例如，利用风力提水进行农田灌溉、水产养殖、土壤改良制盐、切草制饲、粮谷研磨、磨谷榨油等;另一种是利用风力发电装置将风能转化为机械能，再把机械能转变为电能，也就是风力发电。

新疆的风能开发、建设始于上世纪80年代初期，当时引进了20 KW、30 KW、55 KW和100 KW各一台风机，1988年100 KW风电并网试验运行。1989年利用丹麦政府赠款引进了13台150 KW风机，建立达坂城风电一场，总装机容量达到2050 KW，单机容量和总容量在当时均居全国第一。1992年到1995年，相继引进了300和500 KW风机共33台，建成了国内第一座万KW级的达板城风力发电厂。1997年利用两项丹麦政府贷款和国内“双加”风电项目，于当年完成了全部78台600 KW风电机组的安装。达坂城风区因其开发较早，目前风区风电总装机容量已达12.55万 KW，占到了新疆主电网总装机容量495.75万KW的2.53%。

新疆风能资源总储量9.57亿 KW，技术开发量2.34亿KW，年平均风功率密度≥150 W/m2的面积12.6万 km2。具有开发价值的九大风区为额尔齐斯河河谷风区、准噶尔盆地西部风区、阿拉山口风区、乌鲁木齐达板城谷地风区、吐鲁番西部风区、哈密北部及南部戈壁风区、百里风区、塔城老风口和罗布泊风区。

目前，风力发电是新疆风能利用的最主要的方式，而风力提水灌溉等另一种重要的利用方式在新疆几乎是一个空白领域。

3 风力提水

3.1 风力提水技术

风力提水是指利用风力来直接驱动提水机提水。风力提水自古至今一致得到较普遍的应用，至20世纪50年代以后，为解决农牧区的生活、生产和牲畜用水以及为了节约能源，风力提水机有了很大的发展。

目前世界上约有100多万台风力提水机在运转。比如，澳大利亚的许多牧场都设有这种风力提水机，主要用于牧区灌溉和人蓄饮水。此外，在很多风力资源丰富的国家，科学家们还利用各种风力机械装置来铡草、磨面和加工饲料等。

现代风力提水机根据用途可分为三类:

(1)高扬程小流量风力提水机组。由地速多叶片立轴风力机与活塞泵相结合提取深井地下水，主要用于农牧区人蓄提供饮用水。风轮直径一般在6m以下，扬程20～100m，流量0.5～5.0m3/h。

(2)中扬程大流量风力提水机组。由高速桨叶匹配容积式水泵组成提取浅层地下水，主要用于农牧区提供灌溉、水产养殖用水。风轮直径一般在5～8m，扬程10～20m，流量15～20m3/h。

(3)低扬程大流量风力提机水组。由低速或中速风力机与链式水车或螺旋泵相匹配，提取河、湖、海等明流或开敞地表水，主要用于农田排灌、水产养殖或盐场制盐，土壤改良。风轮直径一般在5～7m，扬程0.3～3.0m，流量50～100m3/h。

图2 风力提水示意图

上述风力提水机组中由于中扬程大流量的风力提机组类一般为现代流线型桨叶，效果较高性能先进，实用性强，但其造价高于传统式风力机的原因。经过几十年的发展，我国已基本形成北方型高扬程小流量风力提水机组和南方型低扬程大流量的风力提机组。

3.2 我国风力提水概况

我国是世界上开展风能利用最早的国家之一，应用风车提水在中国已有一千多年的历史。从13世纪到19世纪中，传统式斜杆风车在我国东南沿海地区得到了广泛的应用。

我国风力提水科研过程经历了以下几个阶段:

(1)我国自20世纪50年代中期开始研制风力提水机组，但多为改进型提水风车，如FCG－7、FCG－8等。这些风车的性能较传统风车虽有大的提高，但整体技术不高。60年代中期，成功地研制出几种现代式的风力提水机组(如FWG－6型高速风力提水机、FDG－6型风力提水机等)并投入了小批量生产。当时有的机组累计生产量达500余台，这些风力提水机的性能指标在当时是属于比较先进的。

(2)从20世纪70年代中期到80年代中期，在国家科委等有关部门的支持下，我国科技人员在研究国内外样机和技术资料的基础上，陆续研制出十几种现代式风力提水机组。其中具有现代表性的是中国农机院1985年底组织攻关完成(呼和浩特牧机所设计)的FDG－5型低扬程大流量的风力提机和FDG－4型高扬程小流量的风力提机。

(3)从20世纪80年代中期到目前为止，全国约有10多种型号的风力提水机组，风轮直径2～7m;额定功率1～4 KW;扬程范围0.5～100.0m。我国已基本形成北方型高扬程小流量风力提水机组和南方型低扬程大流量的风力提机组两大系列，约有几十种产品型号。这些机组的产品质量基本可靠，有些机组的水平达到或处于国际先进地位，部分机组甚至出口国外。

我国常用的风力提水机组及其性能见表3。

表3 我国常用的风力提水机组及其性能一览表

目前，在我国工、农、牧业等各项生产活动中运行的各类风力提水机约有3000余台，主要在东南沿海用于养殖、制盐，在江苏、宁夏、河北和吉林等地用于农田灌排，在三北地区用于提供人蓄饮用水与人工草场灌溉。

在传统的风力直接提水技术基础上，近几年人们开发出风力发电提水这种新的风力提水方式，它有两种基本形式:一种为风力发电～储能～电泵提水;另一种是风力发电机在有效风速范围内发电，由控制器来调节电泵的工作状态，直接驱动电泵提水。后者较前者省去了蓄电池和逆变系统，减少了中间环节，降低了提水系统的费用，可谓是真正意义上的风力发电提水。

4 风力提水在新疆农牧业发展中的意义及潜力

4.1 风力提水意义

风力提水作为风能利用的主要方式之一，在解决农牧业灌排、人畜饮水以及水产养殖、土壤改良、制盐等方面都不失为一种简单、可靠、有效的实用技术。在新疆开发和应用较丰富的风力资源来提水技术，对于节省能源、解决广大农牧区的动力短缺、改善生态环境都有重要的现实意义。

(1)农牧业灌溉方面:新疆虽大，但有效绿洲面积偏少、人口分散、农村人均经济收入偏低、有些农村地区难通电网。地表径流具有季节不均匀和不可确定特性;而地下水年内基本不受季节变化的影响，其流量稳定、水质良好、水温恒常，可满足农牧业区中小型农、草场作物灌溉要求。利用风力合理提取深井水，不仅可节能、而且环保又经济、有利于改善当地农牧民生产条件。

(2)农牧区人畜饮水及水产养殖方面:新疆农牧区及牧民定居点已被风能较丰富或可利用区域覆盖。在农牧居民点合理开发风力提水，一方面将风能直接转换为提水动能，近距离提水;另一方面，在一定程度上可改善农牧民电费开支负担和靠电局限性，使新疆农牧民轻松进入新世纪绿色能源社会足以新农村建设道路上。

(3)排减土壤改良方面:新疆中低产农田中涝洼地、盐碱地占据比例较大。目前这些土地改良措施主要是通过各类排水明渠排水和机电排水，其土石方工程量大，施工不方便、造价高。利用风力排水，不仅能取得较好的经济效益，还可以解决机电排水不均匀性问题。

(4)旅游发展方面:按照《中国旅游资源普查规范》的资源分类，在全国68中基本类型中新疆至少拥有56中，居全国首位，旅游资源很丰富。如果，将该地区原有的旅游市场与农牧区风力提水应用融合在一起创造出新的风力景观，效果会更好，会对当地旅游业发展带来全国范围内独一无二的创新性活力。

4.2 风力提水潜力

风力提水在农牧业区灌溉和人蓄饮水方面的利用并有效推广在新疆的现代化社会主义新农村建设和实现其跨越式发展也具有巨大的发展潜力。

图3 我国全年风速大于3m/s的小时数分布图

(1)由我国山东省长清县万德镇长城村13座风力提水机和吉林省某绿化公司17台四种风力提水机实用经验来看，风力提水设施启动风速2.2～3m/s，工作风速为3～15m/s，只需要3及风就能使用，扬程一般在20m左右，最大扬程可达30～60m。以风速5m/s计算，每小时出水量在7m3/s左右。经过一年灌溉80公顷草场，年初寸草不生的盐碱地植被覆盖率已达85%，产草20万 kg。按0.75/kg元计算，除掉各种费用支出，80公顷草场纯利润近1万元。根据图4可知，除了塔克拉玛干沙漠中心部位以外，新疆全年风速大于3m/s的小时数大于1000 h，北疆大部分地区在4000～5000 h，平均值为2500～3500 h。则新疆大部分区域风速可满足风力提水设施启动风速和正常工作风速。

(2)我国风力提水科研过程，从上世纪50年代至今已有60多年历史，从小批量生产发展成现在的全世界领先水平批量生产。我国风力提水机组均为通用定型产品，在全国范围内配件易购，维护修理及更换零件简单容易。新机组安装施工简单，运行管理方便。

(3)目前我国风力提水技术还处在推广示范阶段，在新疆几乎属于空白领域。随着技术的进一步成熟和完善，预计在将来风力提水技术在新疆将有很大的技术发展及经济市场潜力。可通过疆内外和国内外科技合作来研制、研发并实现新型风力提水科学技术。

(4)风力提水机组一次性投资少、工效高、经济耐用。具有良好的经济效益和生态效益。如果7000亩耕地，一亩地一年按浇4次水计算，每次电费25元，整片灌区每年可节省电费就达70万元。建设一座风力提水机投资不足5000元，而每年的维修费很低，因而环保、节能、省时、低耗。

(5)风力提水可在个体承包的中小型农场，代替农业节水灌溉的水源供水动力系统;在偏远农村居民区和牧区牧民定居点，与风力发电结成一体，解决农牧民人蓄安全饮水问题。

5 结语

无论是石油、天然气、煤炭，还是有色金属、木材甚至水资源等自然资源数量均为有限，并在开发过程中均对周围的环境带来不同程度的污染危害。等到将来，全世界范围内石油、天然气、煤炭、木材等可燃烧资源慢慢地将会被地热能、太阳能、风能、海洋能、水能、生物质能和可燃冰等可再生能源代替。风能在新疆作为一项可再生能源，不再是只能发电，风力提水将会是新疆农牧区风能利用的另一个巨大领域。

总之，未来新疆有效发展风力提水，在新疆社会主义新农村建设中不但会对农牧区生产生活带来极大方便，并节省很大一笔资金，对农牧业区自然环境保护和节省可燃烧自然资源，使更快进入跨越式发展道路上。

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