太阳能光伏提水灌溉装置比较优势研究

刘 红，叶碎高

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 太阳能提水灌溉系统案例概况

试验灌区位于杭州市萧山区浙江省灌溉试验中心站江东基地内，面积8.00 hm2（120亩），其中水稻试验区3.73 hm2（56亩），果木、蔬菜试验区4.27 hm2（64亩）。考虑复种指数，全年播种面积13.60 hm2（204亩）。水稻采用低压管道输水灌溉，果蔬采用滴灌、喷微灌等方法灌溉。为了提高灌溉系统利用效率，将灌区分为15个轮灌区，采用轮灌制，灌水压力h = 13.86 m，灌溉流量15 m3/h。试验基地原先已建有市电提水灌溉泵站，2017年因基地基础设施改造升级，灌溉取水口变迁，结合老泵站改造，经分析比较，决定改建为太阳能灌溉提水泵站。以基地北侧河网为供水水源，试验科研楼顶水箱为蓄水调节池[1]。

本文以试验灌区提水灌溉系统为例，分析电力、柴油、太阳能等不同动力类型提水灌溉系统的经济效益、节能效益和减排效益，研究太阳能提水灌溉系统的比较优势。

2 提水灌溉系统效益分析

2.1 经济效益分析

不论采用哪种动力抽水，都需要完全满足试验灌区的用水要求。试验灌区的种植结构、种植技术以及产量、产值等，不因抽水动力类型调整而变化。因此，只要分析比较试验灌区的供水成本，就能分析比较灌溉系统的经济效益，即成本低者效益好。

为了分析比较灌溉系统成本，需要全面考虑灌溉系统全寿命周期的建设成本、运行维护成本和燃料动力成本，即全寿命周期成本。可以采用寿命周期成本评价法，包括寿命周期成本现值法CPV（Cost Present Value）和寿命周期费用年值法AV（Annual Value）进行计算分析[2]。

式中：CPV为寿命周期成本现值，万元；F为历次投资金额，包括初始投资和重置投资，万元；P为历次投资累计现值，万元；A为年运行维护费与燃料动力费之和，万元；i为资金利率，本案例以8%计；n为资金支付时间，以距离初始投资时间的年数计；(P/F，i，n)=(1+i)-n为折现因子；(P/A，i，n)=((1+i)n-1)/i(1+i)n为等额系列现值因子。

式中：AV为寿命周期内的平均年化成本，万元；(A/P，i，n)为资金回收因子，与等额系列现值因子互为倒数。

寿命周期与土地流转周期一致，按20 a计算，提前报废的设备按原值重置，寿命周期结束，即20 a后，尚未到期的设备不计残值。根据设备价格及预期使用寿命（见表1），以及年度运行维护费用（见表2）[3]，按照式（1）、（2）分别计算光、电、油泵站全寿命周期的费用现值和平均年化费用。寿命周期费用现值，太阳能泵站CPV光=13.06万元，市电泵站CPV电=18.26万元，柴油泵站CPV油=20.72万元。

平均年化费用，太阳能泵站AV光=1.33万元/a，市电泵站AV电=1.86万元/a，柴油泵站AV油=2.11万元/a。

市电泵站、柴油泵站的费用分别比太阳能泵站高39.85%、58.65%，从全寿命周期核算，太阳能泵站费用最省，市电泵站次之，柴油泵站费用最高。年化费用对比见图1。

表1 泵站建设投资分析表

表2 泵站年运行维护成本表 万元/ a

图1 不同泵站年化费用对比图

2.2 节能效益分析

2017年杭州市年降水量为1 556.5 mm，与多年平均降水量1 553.8 mm基本持平[4]，属于典型的平水年，可以作为多年平均灌溉需水量的推算基础。2017年灌溉季节从4月至10月，其中不降雨的时间为138 d，考虑光照条件，取工作时间100 d，日工作时间取6 h，则系统年工作时数约600 h，可提水总量约为12 000 m3[1]。试验记录了光伏提水灌溉系统2017年灌溉季节提水量用于桃树滴灌的约为1 500 m3，用于葡萄园滴灌的约为1 600 m3，2项合计3 100 m3。2017年光伏提水灌溉系统尚未充分利用，下一阶段，除提水灌溉桃园、葡萄园之外，剩余水量可通过地埋管道输送给水稻试验区，以充分发挥泵站效能。

江东基地当年农用电价为0.908元/（kW · h）、农用柴油价格为6.100元/ L。柴油机的热效率按g = 0.3 kg/（kW · h）计算，皮带传送效率取80%，分析计算光伏提水灌溉系统节能效益，结果见表3。2017年试验期间，太阳能光伏提水灌溉系统实际运行时间155 h，提水3 100 m3，相比采用市电水泵（装机7.5 kW）提水节约用电1 163 kW · h，节约电费1 056元；相比柴油机抽水节油434 L，节约开支2 647元。如果太阳能光伏提水系统得到充分利用，相比市电泵站年预计可节电4 500 kW · h，节约电费4 086元；相比柴油机提水节油1 680 L，节约开支10 248元。

表3 光伏提水灌溉系统节能效益比较表

2.3 减排效益分析

在以煤电为主导的电力生产、供应体系中，用太阳能等可再生清洁能源替代网电，减排效益是显而易见的。试验泵站中，光伏提水灌溉系统节约的能源，如果按照平均煤电转换率360 g标准煤 /（kW · h）计算，每年可节约标准煤约1 620 kg，减排二氧化碳约4 258 kg，二氧化硫约36 kg，氮氧化物约12 kg，烟尘约24 kg[1]。

3 太阳能泵站特点及适用环境

不论采用哪种类型的能源，抽水系统的核心是水泵和电动机，只要有足够的能源，就能驱动水泵机组运行，实现提水的功能。从这个角度看，太阳能似乎适用于所有需要抽水灌溉的场合。但与传统能源相比，太阳能泵站也存在以下不足：

（1）高度依赖太阳光，供电保证率低；

（2）高度依赖太阳能板面积，电力容量有限，且需要占用一定面积的土地；

（3）储能成本高，调剂能力有限，宜配置蓄水池；

（4）一次性投入高；

（5）运行管理有一定的技术要求。

为此，太阳能并不能替代所有的抽水泵站能源。经分析，太阳能抽水系统适用于以下场合：

（1）远离电网系统的灌区。距离远近是相对的概念，要综合考虑线路里程和电压级差，主要考虑经济性。如果从市电网络接引，费用相对较省。如果从高压电网接引，就算在塔基附近（假定允许接引），也是一个需要单独立项的“工程项目”，不仅需要专业机构设计、施工，而且造价不菲。可以这么说，如果得不到政府支持和财政补助，在任何地方建设抽水站，都属于“远离电网”，电力引进费用很可能超过泵站本身的造价。

（2）灌溉需水总量不大的灌区。尽管已经有建设规模抽水泵站的经验，并在非洲推广使用，但从工程可靠性、经济性、灌溉保证率等各方面考虑，利用太阳能驱动大规模抽水工程，目前还不是很好的选择。

（3）经济作物灌区。适用于单位面积灌溉需水量较小，农产品附加值较高，水费在产值中的比重较低，虽然水价较高，用户能够承受的灌区。而对于大田作物，亩均用水量动辄300 ～ 500 m3，而亩均产出有限，农户收不抵支，得不偿失，不宜采用太阳能光伏泵站抽水灌溉。

（4）具备建设调节水池条件的灌区。农作物不需要每天都浇灌，灌溉系统也不需要全天候、昼夜运行。但太阳能抽水系统高度依赖太阳光，而储能装置造价又高。如果能够建设一个蓄水池，用于调节水量，变储能为储水，则可适当缩小泵站规模，且大大提高灌溉保证率。

4 结论与建议

太阳能光伏提水灌溉系统机动灵活、适应性强，在提水灌溉之余，还可以发挥太阳能发电的照明，灯光、音乐驱虫、驱鸟、驱兽等功效。按全寿命周期计算，太阳能泵站建设、运维总成本明显低于电力、柴油泵站，是一种技术上可行、经济上合理，且具有节能减排功效的提水灌溉技术和装置，值得大力推广。

研制、生产适应太阳能动力的泵型，向系列化、模块化、标准化发展，不断提高产品质量和系统可靠性、耐久性。简化安装、运行、维护过程的技术要求，实现免维护或运行、维护傻瓜化，便于推广应用。

政策上，建议鼓励建设光电互补泵站。市电可及的场所，光、电互补，当阳光不充足时，市电提水灌溉，提高灌溉保证率，稳定农产品产量、质量；在非灌溉季节及灌溉季节的非灌溉期，充分发挥太阳能光伏组件的作用，光伏发电系统向电力系统输电，缩短投资回收期，提高投资效益，并为节能减排做出贡献。鼓励金融机构为太阳能光伏泵站提供便利化、贴息贷款支持，减轻用水户的投资压力。