太阳能提灌在西山提黄工程应用的可行性分析

（山西省西山提黄灌溉工程建设管理中心 山西太原030002）

1 太阳能提灌发展概况

太阳能提灌站已经有近40年的发展历史。1977年美国开启了太阳能技术在灌溉系统中应用的先河[1]。20世纪末，国内一些科研机构也开始了太阳能提灌技术的探索。目前，四川、浙江、青海、新疆等地均在大力推广该技术，并取得了很好的示范效果[2]。2009年，为了落实国务院节能减排战略部署，财政部、住建部印发财政部财建文件，对光伏发电进行补贴，进一步加快推进太阳能光电技术在城乡建筑领域的应用。

目前，太阳能提灌在山西省还处于空缺，本文作者通过搜集相关资料文献，针对山西省西山提黄工程的特性，分析了太阳能提灌工程在西山提黄工程应用的可行性。

2 西山提黄工程基本情况

2.1 西山沿黄地区基本情况

西山沿黄地区位于山西省西部黄土丘陵沟壑区，该区河流流程短、坡度陡、含沙量高。地势总趋势由西北向西南倾斜，海拔高程大致在300～2 050 m 之间。该地区气候特点是：春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季温润凉爽，冬季寒冷少雪。年平均日照2 417～2 714 h，最长达2 985.5 h，最短有1 958.7 h。多年平均降雨量495 mm，由于受气候、地形等因素影响，项目区内降水量时空分布不均匀，最大降水量一般发生在7、8月份。

西山沿黄吕梁、忻州、临汾3 市11 个县均属国家级贫困县，地高水低，灌溉基础设施薄弱，守着黄河无水用，十分影响当地农民群众的生产生活，有效灌溉面积仅占整个区域耕地面积的1/3。由于输沙量大，洪水陡涨陡落，且径流量年际和年内变化较大，本地水资源开发利用难度较大、潜力很小，利用黄河干流水资源是解决这11 县水资源短缺问题的有效途径。

2.2 西山提黄工程基本情况

为进一步推进西山沿黄地区经济带建设，从根本上改变荒滩旱塬地区的干旱、低产、贫困面貌，根据我省甘露行动计划，在吕梁、忻州、临汾沿黄3 市11 县启动大规模提黄灌溉项目。第一批和第二批共15 处西山提黄灌溉工程平均投资为3 304 万元，平均扬程为417.5 m，平均流量为0.29 m3/s，平均设计灌溉面积为920.46 hm2，可见工程具有投资大、扬程高、流量小、控灌面积大等特点。

3 太阳能提灌技术与传统电力提灌技术对比分析

通过将四川省攀枝花市多座太阳能提灌站与传统电力提灌站建设对比分析[2-4]，发现太阳能提灌站较传统电力提灌站主要有以下优势：

1）经济成本方面

提灌站的经济成本主要包括两个方面：一是建设投资，目前新建小型太阳能提灌站单位投资较电力提灌站高约2 万元/kW；二是运行费用，太阳能提灌站运行费用约为0.4 元/m3，而电力提灌站运行费用随着扬程的增加而线形增加。据初步测算，太阳能提灌站在运行5～10年后，其经济性可逐步体现。

以四川省攀枝花市迤沙拉太阳能提灌站为例，实际建设投资306 万元，如果采用电力提灌建设（含输变电配套设施），则建设投资在150 万元左右。但是太阳能提灌相比电力提灌年可节约运行费用20 万元以上，运行8～10年后，静态投资就将逐年低于电力提灌方案。

2）节能减排方面

太阳能提灌站利用太阳能提水，相比传统电力提灌站可有效节约能源[5]。搜集相关资料发现，每节约1 kW·h 电，就相应可节约0.4 kg 标准煤，同时减少污染排放0.997 kg 二氧化碳、0.272 kg 碳粉尘、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg 氮氧化物。

以迤沙拉太阳能提灌站为例，每年可节约用电约24 万kW·h，节约电费13 万元（按电价0.55 元/kW·h估算）。1年可节约96 t 标准煤，可减少污染排放23.93万kg 二氧化碳、6.53 万kg 碳粉尘、0.72 万kg 二氧化硫、0.36 万kg 氮氧化物。

3）技术先进性方面

太阳能提灌站可采用太阳能专用水泵，效率转化较电力提灌技术大大提高，在高扬程时尤其显著。且太阳能提灌站通常需要采取较高的智能化控制系统，可降低人力成本，以实现自动化管理。

以迤沙拉太阳能提灌站为例，如果采用电力提灌技术测算水泵功率需要185 kW，而实际采用太阳能提灌技术水泵功率仅为117 kW，装置效率可高出58%。

4）其他方面

目前，太阳能提灌站的相关产品研发还不太成熟，生产厂家比较少。太阳能提灌技术的推广应用可以促进太阳能相关技术创新，增加光伏产品应用途径，推动战略性新兴产业发展，促进产业结构调整[6]。

通过以上分析，可知太阳能提灌站较传统电力提灌站有经济、节能减排、技术先进性等方面的优势，但同时也存在诸多不足之处：

1）运行条件

搜集研究相关资料可知，太阳能提灌技术发挥最佳效益需年光照在1 600 h 以上，且只能在光照较好的6～8 h 内提水，水量调节能力较弱，主要依靠抽蓄水调节。而电力提灌站则可以随时调节。

2）占地

太阳能提灌站需要较为完整的开阔地摆放电源系统光伏板，会占用一定土地资源。

以迤沙拉太阳能提灌站为例，提灌站共需光伏板672 块，每块占地1.66 m2，合计占地0.13 hm2。

3）建设管理

太阳能提灌站建设管理可借鉴案例较少，经验缺乏，市场较小，还不十分规范[7]。而电力提灌站建设管理经验已经较为成熟，建设风险小。

4 太阳能提灌在西山提黄工程应用的可行性分析

将西山提黄灌溉工程与四川试点太阳能提灌站相关特性对比分析，得出结论如下：

1）自然条件：有效应用太阳能提灌站的首要前提就是要有足够的太阳光照。在西山沿黄地区，年平均日照2 417～2 714 h，最长达2 985.5 h，最短有1 958.7 h。参考四川省已运行太阳能提灌站年日照小时数在2 300～2 700 h，西山沿黄地区的日照是能够满足运行条件的。

2）太阳能电池板占地：以迤沙拉太阳能提灌站为例，控灌面积266.68 hm2，太阳能电池板约占地0.13 hm2。目前，已建成的西山提黄灌溉工程中，偏关丰台梁的设计灌溉面积最大，达到2 007.67 hm2，按比例考虑，占地在1.00 hm2左右。偏关石峁的设计灌溉面积为66.7 hm2，按比例考虑，占地在0.03 hm2左右。考虑到土地生态环境建设的需求，建议在控灌面积比较小的提黄工程中引用太阳能提灌技术。

3）水源：西山提黄灌溉工程水源为黄河水，含沙量比较大，太阳能提灌站所用太阳能专用泵对水质要求比较高，如果不经过过滤处理，可能会对水泵的磨损比较大。西山提黄建管中心的水源课题中，通过一系列的实验研究，建管中心提出解决沿黄提灌水源工程选取原则，即工程设计流量较小且滩地覆盖层条件理想，同时具备集水面积条件，可考虑采用渗井（渠）滤取水方案；设计流量较大的工程，建议采用浮船等直接取水方案，如滩地条件允许可配套沉沙条渠等设施。因此，太阳能提灌站在西山提黄的应用，应该考虑采用渗井（渠）滤取水或配套相关的沉砂取水设施，采用这两种取水方式，可以减少对太阳能专用泵的磨损以延长其使用寿命。

4）技术参数：第一批和第二批西山提黄灌溉工程与四川省太阳能提灌工程相比，均属于大流量，高扬程提灌泵站，且灌溉面积大，故所需装机容量较大。目前，四川攀枝花已建世界上扬程最高的提灌站，扬程888 m，西山提黄工程扬程在25～843 m 之间，最大扬程为乡宁谭坪提灌工程843 m。就已有的经验分析，扬程是可以达到的。目前，太阳能专用泵的功率、流量等参数较普通泵低，如果在西山提黄工程中采用，初步建议选取控灌面积不大的提灌站试用。

5）电力配套：目前，四川省已建的太阳能提灌站均属于装机容量比较小的小型提灌站，其太阳能发电均能满足提灌需求，但在装机容量较大的情况下，太阳能发电在供电稳定性及供电容量方面能否满足需求尚无定论。如果在西山提黄工程中采用太阳能提灌，可选取装机容量小的提灌站试用。

5 结语

结合西山提黄工程的实际情况，从自然条件、太阳能板占地、水源、技术参数、电力配套等几方面综合分析，太阳能提灌技术可以在采用渗井（渠）滤取水方式，且控制灌溉面积、流量和装机容量均较小的提灌站试用，例如首批12 处项目中的偏关石峁提灌工程、柳林上庄提灌工程、兴县张仁碧提灌工程。