光伏水泵在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用研究

薛輝 瞿敏

（湘西民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 吉首 416000）

光伏水泵系統(tǒng)融入了多種技術(shù)，是一種典型的光能、機(jī)、電一體化系統(tǒng)，是高新技術(shù)種類之一［1］。光伏水泵系統(tǒng)能夠直接將太陽能轉(zhuǎn)變成電能，而且應(yīng)用范圍十分廣泛。目前，在全世界已經(jīng)有許多不同規(guī)格的光伏水泵開始運(yùn)行，尤其是在發(fā)展中國家，光伏水泵的應(yīng)用為當(dāng)?shù)氐娜嗣駧砹耸挚捎^的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要探討光伏水泵在我國農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，旨在解決能源危機(jī)問題。

1 光伏水泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

光伏水泵系統(tǒng)涉及到許多學(xué)科，如計(jì)算機(jī)、電力、電子等。光伏水泵利用來自太陽的持久能源，其控制系統(tǒng)主要采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，優(yōu)化太陽能電池與負(fù)載之間的匹配。該系統(tǒng)在供水需求改變的情況下，輸出功率并沒有及時(shí)變化，這樣就會造成太陽能電池功率的浪費(fèi)。為了改變這種現(xiàn)狀，需要通過智能控制實(shí)現(xiàn)太陽能的最大輸出功率與負(fù)載之間的最佳匹配，提高水泵運(yùn)行效率。

電機(jī)節(jié)能作為一項(xiàng)龐大而系統(tǒng)的工程，需要高度重視，積極尋找降低能源消耗的措施。目前，中國的各種水泵與風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率有限，導(dǎo)致電能浪費(fèi)嚴(yán)重。在電動機(jī)節(jié)能方面，主要是以改革異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能，發(fā)展永磁同步電動機(jī)為主。永磁材料是永磁直流電動機(jī)的主要材料。在國內(nèi)，高性能永磁材料已形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，價(jià)格合理，產(chǎn)量居世界前列。據(jù)了解，中小型永磁同步電機(jī)的效率可以得到有效的提高，一些特殊的專用永磁同步電機(jī)具有明顯的節(jié)電效果。

目前，大功率光伏水泵電機(jī)采用的是交流變頻電機(jī)［2］。效率比直流永磁電機(jī)要低，而且所占空間較大。與其相比，直流電動機(jī)機(jī)械性能優(yōu)，體積小，運(yùn)行效率高，更容易進(jìn)行操作。因此，開發(fā)大功率直流永磁電機(jī)可以有效節(jié)能，提高效益。配合光伏水泵的電機(jī)通常是研究光伏電池后進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再選擇不同種類的水泵。根據(jù)使用要求選擇相應(yīng)的水泵，這就需要考慮到水泵的運(yùn)行效率和電機(jī)最佳輸出功率相結(jié)合等問題。

2 光伏水泵系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用前景

光伏水泵的應(yīng)用優(yōu)勢是能源消耗少，沒有污染，可以對環(huán)境起到良好的保護(hù)作用。另外，光伏水泵中的太陽能電池維修成本低，比較耐用，在干旱地區(qū)、人民生活供水地區(qū)應(yīng)用前景比較廣泛。

在一些干旱地區(qū)，由于常年持續(xù)少雨，極度缺水，因此土地正在迅速沙化，生態(tài)環(huán)境不斷遭到破壞。還有一些缺水嚴(yán)重的地區(qū)，飲用水十分稀缺。但是，這些地區(qū)的一些區(qū)域卻具有豐富的地下水資源，如果能充分利用這些水資源，不僅可以解決缺水問題，還能夠提高該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。而干旱地區(qū)地下水資源的提取與開發(fā)需要有充分的技術(shù)。這些地區(qū)由于交通不方便，電網(wǎng)覆蓋率很低，居民居住不集中，住戶少，而且住戶之間相距較遠(yuǎn)，常見距離可以達(dá)到幾百公里，因而會降低用電需求，或者他們的用電需求僅限于生活、農(nóng)田灌溉、照明等，電網(wǎng)并不發(fā)達(dá)。電網(wǎng)的建設(shè)需要很高的投資，如果沒有得到充分的回報(bào)，就會給電網(wǎng)建設(shè)帶來很大的不便，也難以獲得有效的經(jīng)濟(jì)效益。小規(guī)模居民用電為電網(wǎng)投資帶來了很大的難題，因此這些偏遠(yuǎn)地區(qū)用電問題必須依靠其他方法，如采用太陽能發(fā)電的方式。而且干旱偏遠(yuǎn)地區(qū)大多與海洋距離較遠(yuǎn)，晴天多、雨天少，太陽輻射能力很強(qiáng)，具有豐富的太陽能資源。因此，利用光伏發(fā)電，開發(fā)地下水資源成了最佳的途徑。近年來，光伏設(shè)備成本不斷降低，太陽能電池效率不斷提升，為推廣光伏水泵系統(tǒng)提供了有利條件。

為緩解能源危機(jī)，促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用，國家將重點(diǎn)開發(fā)利用可再生能源作為優(yōu)先發(fā)展重點(diǎn)領(lǐng)域，大力改善能源結(jié)構(gòu)，減少環(huán)境污染，促進(jìn)社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。隨著國家對“三農(nóng)”問題的重視度日益提高，在我國一些干旱、缺水、缺電的地區(qū)，利用可再生能源提取地下水，使農(nóng)田灌溉、人民生活用水有保證，還可以大大促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展和人民收入水平的提升，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。利用可再生能源開發(fā)和提取地下水資源，還可以及時(shí)解決能源問題，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

但是，所有地區(qū)的供電都保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，在缺電、缺水地區(qū)，電力保持著并不正常的供應(yīng)，大量農(nóng)田難以服務(wù)電網(wǎng)建設(shè)，這就使一些水源與電網(wǎng)相距遙遠(yuǎn)。在這種情況下，供電、輸電的距離增大，線路損耗不斷加大，降低電動水泵的效率，水泵頻頻不出水，許多農(nóng)戶仍采取對環(huán)境污染十分嚴(yán)重的柴油機(jī)抽水灌溉，不僅消耗大量能源，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。與上述水泵相比，光伏水泵不僅更加高效，還環(huán)保、節(jié)能、成本低，可以為廣大農(nóng)民排憂解難。光伏水泵系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，尤其都是在一些發(fā)展中國家，光伏水泵的應(yīng)用增長幅度很快，中國西部地區(qū)也開始不斷推廣光伏水泵系統(tǒng)。

3 光伏水泵發(fā)展趨勢

光伏水泵系統(tǒng)全自動運(yùn)行，無需人工值守。光伏揚(yáng)水逆變器對系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)施控制和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，不僅可以保證太陽能電池更加耐用，還可以結(jié)合實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整電池輸出功率，合理利用能源，提高經(jīng)濟(jì)效益。由于目前一些光伏水泵的流量范圍有限，可能會在流量過大的時(shí)候超出太陽能光伏電機(jī)功率，這樣就無法保證光伏水泵是否實(shí)現(xiàn)有效運(yùn)行。目前，針對光伏系統(tǒng)開發(fā)流量范圍寬和高效區(qū)寬的專用光伏水泵不僅可以降低成本，還能夠節(jié)約許多能源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步提升［3］。

4 結(jié)語

若要進(jìn)一步推廣光伏水泵系統(tǒng)，則需不斷加大研究力度，尤其對電機(jī)的研究與開發(fā)、水泵的性能研究方面均需不斷創(chuàng)新，符合相關(guān)地區(qū)的實(shí)際情況，真正為農(nóng)民解決問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。

［1］鄭國，鄭萬新.基于開關(guān)磁阻電機(jī)光伏水泵系統(tǒng)模糊控制研究［J］.中國電力，2017（1）：146-150.

［2］萬曉鳳，康利平，余運(yùn)俊，等.光伏水泵系統(tǒng)研究進(jìn)展［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2014（27）：76-84.

［3］劉家宏，徐鶴，王浩，等.太陽能光伏水泵提水灌溉修復(fù)草場的水資源要求［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013（6）：20-25.