風能太陽能供水技術發(fā)展趨勢

王世鋒，曹 亮

(水利部牧區(qū)水利科學研究所，呼和浩特 010020)

風能太陽能供水技術，是一種先進、適用的新型供水技術，近年來在我國農(nóng)牧區(qū)水利建設中得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用，特別是在地域遼闊、居住分散、電網(wǎng)架設不便的邊遠地區(qū)，基本上靠風能太陽能實現(xiàn)供水。同時風能太陽能供水技術對因地制宜興辦小微型水利工程，疏通電網(wǎng)末端水利的“毛細血管”，提高邊遠地區(qū)水利化程度起著重要的作用。再者風力提水、太陽能提水人畜供水工程是我國水利建設的一項重要內(nèi)容，特別是在占國土面積一半以上的西北和廣大的牧區(qū)，人畜供水事業(yè)的發(fā)展，直接關系到該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，也是加快我國建設社會主義新農(nóng)村的戰(zhàn)略步伐。目前這些地區(qū)仍有2 400萬人，15 890萬頭牲畜飲水問題十分困難。我國有關部門對此十分重視，并加大了人畜供水的建設力度。就我國長遠能源戰(zhàn)略而言，農(nóng)村太陽能、風能將成為我國清潔能源的主力軍，將是今后我國農(nóng)村安全飲水、灌溉、節(jié)能減排、低碳生活首選能源，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 風能太陽能供水發(fā)展現(xiàn)狀

(1)風能供水發(fā)展現(xiàn)狀。小型風力發(fā)電機組的生產(chǎn)和研發(fā)主要集中在北美、歐洲和亞洲，而應用幾乎遍及全世界。處于小型風力發(fā)電市場領導位置的生產(chǎn)企業(yè)有Southwest Windpower (SWWP)公司(美國)，Proven 公司(英國)，Northern Power 公司(美國)，Energrity 公司(加拿大)和Bergey Windpower公司(美國)。

在美國和歐洲，大約3/4或者更多的小型風力機組是農(nóng)村使用的，并且這一比例正在不斷上升，單機功率較大，一般至少在5 kW 以上。而在我國和其他發(fā)展中國家，大部分是50～300 W 的獨立戶用系統(tǒng)。從2008到2014 年,我國生產(chǎn)了大約24 萬臺小型風力發(fā)電機，其中大部分規(guī)格為200～1 000 W。我國無疑是一個小型風力發(fā)電機組的生產(chǎn)和應用大國[1]。

(2)太陽能(供水)發(fā)展現(xiàn)狀。據(jù)著名信息分析公司Dataquest的統(tǒng)計資料顯示,目前全世界共有136 個國家投入普及應用太陽能電池的熱潮中，其中太陽能的應用包括大型并網(wǎng)電站和解決邊遠農(nóng)村地區(qū)家庭的生產(chǎn)生活用電兩個方面。國外光伏產(chǎn)品2/5用于提水，太陽能提水技術比較先進，如有美國所的ARCISOLAR公司，德國的西門子公司，其產(chǎn)品性能先進、自動化程度高、工作可靠。國外較先進的光伏潛水泵生產(chǎn)廠家有美國的JACUZZA公司和丹麥的GRUADFOS公司，他們推出了適用于13.33、16.67、20.00 cm井徑的泵，使光伏水泵在達到最高效率的情況下最大限度地利用了徑向尺寸。在生產(chǎn)中應用較為先進且光伏供水普及率大于40%的國家有以色列、印度、荷蘭、德國、意大利等。

我國家用光伏電源在青海、內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、寧夏、西藏以及遼寧、吉林、河北、海南、四川等地廣泛應用，尤其在邊遠地區(qū)，太陽能家庭用電與遠距離架設電網(wǎng)在經(jīng)濟上顯示出巨大的優(yōu)勢。從1995年開始應用在邊遠地區(qū)戶用獨立光伏系統(tǒng)約15萬套。進入21世紀，“送電到鄉(xiāng)”工程，國家投資20億元，安裝20 MW光伏系統(tǒng)，解決我國800個無電鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生產(chǎn)生活用電問題，推動了我國離網(wǎng)光伏供電供水市場的快速、大幅度增長[2]。

光伏提水這項可以和農(nóng)業(yè)水利建設相結合的新技術開始蓬勃發(fā)展，諸如農(nóng)業(yè)水利領域的：光伏水利、光伏農(nóng)業(yè)等方向逐漸開展起來。十八大工作報告明確提出了農(nóng)業(yè)建設和水利建設的重要性，因此，光伏提水技術在2013年瞬間起勢，成為農(nóng)建水利項目的重要技術手段。

2 國內(nèi)外風能太陽能供水動向

美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務在最新的研究中指出，通過混合系統(tǒng)使用可改善風能或太陽能的獨立運行不穩(wěn)定的缺點，其中關鍵技術在從風力機和太陽能光伏陣列達到合理的容量匹配，在風能太陽能結合之前把風力機輸出的交流變成直流輸出，同時把風能和太陽能裝機比例優(yōu)化配置使電壓之間的不匹配干擾降到最低，以及額外增加一個降壓/升壓轉換器的控制器。他們的實驗證明使相對恒定的電壓(只有3%的波動)時候，風能和太陽能裝機比例為最佳。這種混合系統(tǒng)在最大需求的用水月比風力提水系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨系統(tǒng)的抽水量提高28%以上[3](見圖1)。

圖1 風能太陽能互補供水控制系統(tǒng)圖

印度農(nóng)村太陽能供水和衛(wèi)生方面的應用研究：印度受砷影響的農(nóng)村地區(qū)的飲用水供應方法。有一個新穎的實現(xiàn)是獨立的電力供應，利用太陽能水處理系統(tǒng)處理后的水質符合人的飲用水標準。該系統(tǒng)的目的是為整個村莊供應安全可靠的飲用水，整個太陽能水處理系統(tǒng)的成本在20 418美元左右[4]。

在菲律賓以社區(qū)為基礎的小型風力發(fā)電機可再生的能源系統(tǒng),菲律賓政府支持在邊遠地區(qū)采用小型風力發(fā)電機來滿足社區(qū)的供電、供水系統(tǒng)來替代昂貴的柴油發(fā)電系統(tǒng)[4]。

阿爾及利亞80%干旱地區(qū)，利用太陽能提供很好的解決方案解決農(nóng)田灌溉和飲水問題。太陽能水泵系統(tǒng)是由異步電動機耦合離心泵載荷。太陽能電池通過逆變器，中間不需要蓄電池的簡單的光伏發(fā)電系統(tǒng)，更可靠；維修費比有電池系統(tǒng)更便宜。

我國風力提水業(yè)的發(fā)展水平也直接反映了我國新能源利用的水平。目前我國的常用風力提水機，按其使用技術指標可分為：低揚程大流量型，高揚程小流量型。低揚程大流量型機組一般是低速風輪或中速風輪與螺旋泵或鋼管鏈式水車配套形成的一類提水機組，它可以提取河水、海水等地表水，這類機組一般揚程小于3 m。高揚程小流量風力提水機組，由低速多葉片風力機與單活塞式水泵相匹配形成的風力提水機組。這類風力機提水機的流量一般小于4 m3/h。低揚程大流量的風力提水機，因揚程太低，其使用范圍受到了限制，而高揚程小流量的機型因流量太小，僅能滿足人畜飲水，且傳統(tǒng)的機型一般為機械傳動，結構復雜，出流不穩(wěn)定，致使設備成本高、性能差效率低、故障率高。風力發(fā)電提水目前全部采用昂貴復雜的變流及控制技術，使發(fā)電提水系統(tǒng)可靠性差，造價高。

光伏提水技術裝置,輕巧方便,機動靈活,適用范圍廣、經(jīng)濟性好。不但是邊遠無電地區(qū)供水的重要手段,也是其他地區(qū)和領域的一種理想供水方式。光伏提水系統(tǒng)可用于村莊、牧場、家庭的人畜供水,也可以同節(jié)水灌溉相結合進行農(nóng)田和人工草場的灌溉。

3 我國風能太陽能提水存在的問題和解決的關鍵技術

(1)存在的問題。雖然我國的小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較早，和國際上的差距不是很大。但是在某些方面仍存在問題，如產(chǎn)品普遍存在功率小、風能利用率低、輸出特性差、功率過載及可控性差、控制不穩(wěn)定，脈動大等問題，使得機組和用電設備容易損壞，嚴重影響到使用者的利益；同時我國風力發(fā)電提水機葉片、風輪、發(fā)電機和控制器的設計水平也有待提高。塔架、地基的制作水平需要改進。產(chǎn)品外觀和包裝需要美化和完善。此外，企業(yè)的研發(fā)能力弱，設備的檢測和認證程序缺乏，產(chǎn)品的質量差異很大。

目前國內(nèi)有生產(chǎn)光伏提水的生產(chǎn)企業(yè)70余家，在我國運行的光伏提水機組大約有1萬臺(套)，近年來每年正在以30%～50%左右的速度遞增。光伏提水對解決人畜供水和農(nóng)牧業(yè)灌溉問題起到了較大的作用。由于光伏提水工程還是一項新技術，因在光伏提水技術工程建設過程中可執(zhí)行的標準少,工程建設的隨意性大,使光伏提水系統(tǒng)利用率低、效益差，光伏提水工程建設中還存在設計方法不正確、系統(tǒng)配置不合理、工程建設不規(guī)范等原因造成光伏提水系統(tǒng)利用率低，系統(tǒng)功能不能全部發(fā)揮等問題。太陽能光伏提水還處于剛剛起步階段，只有光伏電池、逆變器、常規(guī)水泵通過簡單的組合，系統(tǒng)效率小于15%，可靠度小于50%。而真正專門研發(fā)的專用光伏提水系統(tǒng)尚未開展示范和推廣[5]。

(2)風力發(fā)電(供水)解決的關鍵技術。風力發(fā)電(提水)解決的關鍵技術應從以下幾個方面發(fā)展。

①提高零部件效率。葉片：氣動外形的研究，繼續(xù)提高葉片的設計水平，由單一翼型向復合異型轉變，使葉片受力更加合理，使用壽命更長，效率從目前的30%提高到40%；在葉片成型前更加注重的風洞試驗，不斷完善氣動性能；傳統(tǒng)風力提水機采用木質葉片，容易受潮變型，為減少設計載荷，應采用新型復合材料和模具的重新設計，最新設計軟件的應用與開發(fā)。發(fā)電機：提高發(fā)電機效率從目前的70%提高到90%，設計上采用大氣隙，大磁化厚度的方法來既保證啟動力矩，又保證發(fā)電效率，在制造工藝上采用整體環(huán)狀永磁鐵，進行分級沖磁，代替一般由多塊混凝土鋼進行黏接的方法，提高電機運行的可靠性，并降低制造成本。逆變器：研發(fā)高可靠性、低成本、高速率、小尺寸、低功耗、在極端電壓和溫度范圍內(nèi)運行穩(wěn)定逆變器，提高逆變器的效率，效率由目前的90%提高到98%。

②提高整機的穩(wěn)定性和效率。目前需要對小型風力發(fā)電機研究一種裝配風壓式全程變槳距調(diào)速機構的風力機，變槳機構的傳動比例、精度能夠達到標準水平，且傳動機構靈活小巧，防腐、適應溫度能力強，從而達到運行安全可靠，制造成本低的特點。通過變槳距機構的作用，加強對風力機的控制,使風力機能夠適應各種風速的變化：在初始風速易于啟動；在設計風速與初始風速之間能夠獲得較高的風能利用系數(shù)；當大于設計風速時，能夠起到限速作用，保證風力機平穩(wěn)運行。另外，大風時的調(diào)速功能還能極大地改善風力機的整體受力情況，有利于風力發(fā)電機的整體設計。

③提高風能供水的系統(tǒng)效率。風輪、發(fā)電機及負載(水泵)的匹配技術?，F(xiàn)有系統(tǒng)一般采用發(fā)電機輸出直接對蓄電池進行充電,并沒有對風力機轉換環(huán)節(jié)進行控制,使得風能利用系數(shù)比較低,為實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出的目的，需要研究負載調(diào)節(jié)風輪與發(fā)電機運行時最大功率跟蹤的匹配技術。風力發(fā)電系統(tǒng)的兩個主要部件風輪和發(fā)電機之間的匹配效果直接影響著風能的利用率，也影響著整個系統(tǒng)的運行性能、效率和年提水量。因此，風電系統(tǒng)的高效率是風力發(fā)電(供水)技術的研究重點。

(3)太陽能供水解決的關鍵技術。太陽能供水解決的關鍵技術應從以下幾個方面發(fā)展。①開發(fā)光伏泵與光伏網(wǎng)陣的最大功率跟蹤，提高跟蹤精度，使光伏網(wǎng)陣輸出的功率全部轉化為有效的提水功率。②提水微電子技術在原系統(tǒng)上應用，提高光伏泵水系統(tǒng)的自動化程度和保持能力，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動，自動關機，自動切入。③太陽能供水水泵設計關鍵技術。變轉速、寬高效區(qū)太陽能專用水泵的開發(fā)。開發(fā)可在變轉速下工作的專用水泵(2 200～3 000 r/min)，每天工作6～8 h。系統(tǒng)效率高于30%、可靠性大于95%。研發(fā)寬高效區(qū)的專用多級離心泵，從目前只有一點與水泵相匹配到變成一個區(qū)域相匹配；要使太陽能水泵性能達到最佳效率同時能將水提至預期高度，設計時就要考慮泵的尺寸、種類、轉速。對于一個給定的轉速，如果輻射減少了，那表明流速的降低，系統(tǒng)的工況點由泵的Q～H特征曲線的交叉點確定，水頭是固定的，泵并不運行在最佳工況。因此，在一個新的轉速下，不管太陽能輻射值和溫度怎么變化，系統(tǒng)的效率值都會上升。

4 發(fā)展風能太陽能供水業(yè)的前景

(1)在我國許多區(qū)域由于能源短缺和架設電網(wǎng)難以實現(xiàn)等原因, 成了限制灌溉面積擴大的一個重要因素。從而嚴重制約著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。利用我國豐富的風能太陽能資源, 廣泛利用風力提水、太陽能提水灌溉, 連片開發(fā), 形成小農(nóng)戶大農(nóng)業(yè)的局面, 是我國中低產(chǎn)田改造的一條重要捷徑。

(2)在中低產(chǎn)田的改良中, 澇、漬鹽堿地占有較大的比重,這些土地的改良措施主要是排水。這些地區(qū)絕大部分為風能太陽能可利用區(qū), 有相當部分處在豐富區(qū)或較豐富區(qū)。如采用風能太陽能排水, 可減少土石方工程量和電網(wǎng)架設, 降低工程造價和運轉費用。

(3)在畜牧業(yè)生產(chǎn)中, 開展灌溉人工草場和高產(chǎn)飼草料地是克服草原畜牧業(yè)的脆弱性、抵御自然災害的發(fā)生, 促進畜牧業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的根本途徑。世界上一些畜牧業(yè)發(fā)達國家, 都把飼草科種植業(yè)作為草原畜牧業(yè)經(jīng)濟的堅強后盾, 人工種草面積大都在 9.5%以上, 最高可達 37.2%, 美國和俄羅斯均為10%左右, 而我國僅為 1.3%左右, 我國牧區(qū)面積大, 人口稀少, 常規(guī)能源供應受到各種條件制約, 滿足不了畜牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。經(jīng)調(diào)查分析表明: 我國大部牧區(qū)風能太陽能資源和地下水資源的時空分布都非常適合于開展風能太陽能提水灌溉。同時對節(jié)約能源和環(huán)境保護更具有深遠意義。

(4)牧區(qū)供水風能太陽能水處理應用。大部分牧區(qū)水質較差，人畜供水問題未能很好解決，應用牧區(qū)豐富的風能、太陽能，結合中小型水處理設備，進行水質處理，以解決牧戶的人畜飲水問題，提高牧民的生活質量。同時可應用新技術進行牧區(qū)牲畜供水自動化示范，提高牧區(qū)供水數(shù)量與供水質量。

5 結 語

保障和改善民生是中國發(fā)展水利的根本目標，風能太陽能供水在我國農(nóng)牧水利建設中已扮演著舉足輕重的角色。通過本次對風能太陽能國內(nèi)外最新技術動態(tài)的敘述，提出目前我國風能太陽能供水技術存在的問題和發(fā)展方向，為今后我國新能源供水研究提供參考與借鑒。

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[1] 2010年世界和我國小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、市場和趨勢與我國小型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖和政策建議研究. 國家能源局/可再生能源及能源效率伙伴關系計劃(REEEP) 項目[Z].

[2] 北京維綠建筑節(jié)能有限公司. 2010年4月國內(nèi)外太陽能利用技術調(diào)研報告[Z].

[3] Brian D Vick, Byron A Neal. Analysis of off-grid hybrid wind turbine/solar PV water pumping systems[J]. B.D. Vick, B.A. Neal / Solar Energy, 2012,86:1 197-1 207.

[4] Ilyas Omar, Selbourne Makhlomo. Energy alternatives for water pumping in rural areas-using a case study approach[J]. Journal for Engineering, Design and Technology, 2003,1(1):1-14.

[5] 我國風能利用現(xiàn)狀[EB/OL]. http:∥www.newenergy.org.cn/html/2006-7/2006714_10939.html.

[6] 吳永忠. 太陽能光伏提水工程規(guī)范[M]. 北京：水利出版社，2012.

[7] 吳永忠. 風力提水工程技術規(guī)程[M]. 北京：水利出版社，2006.