鄭州地區(qū)光伏水泵系統(tǒng)的應(yīng)用前景研究

◎梁國(guó)珍，石 明，高小梅

（1.鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州市格沃環(huán)保開(kāi)發(fā)有限公司，河南 鄭州 450045；3.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451100）

目前，日益嚴(yán)峻的化石能源使用帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題引起世界各國(guó)的關(guān)注，促使世界各國(guó)在節(jié)能減排的同時(shí)加強(qiáng)推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)變革，逐步深化可再生能源的工程應(yīng)用的研究。太陽(yáng)能綠色、無(wú)污染、資源分布廣泛、適宜就地開(kāi)發(fā)利用，已經(jīng)成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)[1]。在太陽(yáng)能的利用方式中，光伏發(fā)電是以電能作為最終能量形式，能量通用性好，傳輸方便，可存儲(chǔ)，具有光熱利用和光化學(xué)轉(zhuǎn)換方式無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，光伏發(fā)電系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用于以下4 個(gè)方面[2]：①為無(wú)電地區(qū)提供電力，例如偏遠(yuǎn)村莊供電，利用光伏水泵保障農(nóng)作物灌溉和人畜飲水需要。②在通信和工業(yè)場(chǎng)合應(yīng)用，如無(wú)線通信系統(tǒng)、微波中繼站供電等。③日照豐富地區(qū)的大中型光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。④民用光伏系統(tǒng)，主要是太陽(yáng)能路燈、觀光農(nóng)業(yè)提水等。毋庸置疑，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)滲透到國(guó)防科技建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)層面，為滿足我國(guó)持續(xù)增長(zhǎng)的能源需求提供了新的解決方法和途徑。

1 光伏水泵的研究意義

作為太陽(yáng)能光電開(kāi)發(fā)應(yīng)用的一個(gè)重要分支，光伏水泵系統(tǒng)能靜音、無(wú)污染地將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能，之后輔以電力電子變換技術(shù)控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵從江河湖泊或深井中提水，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。與風(fēng)力提水、柴油機(jī)提水單元相比，光伏揚(yáng)水無(wú)需燃料消耗和大量的機(jī)械傳動(dòng)，系統(tǒng)規(guī)模可大、中、小并舉，具有易安裝、低運(yùn)營(yíng)成本、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是目前最有可能滿足無(wú)電、缺電區(qū)域保障農(nóng)作物灌溉和人畜飲水的首選方案。

圖1 光伏水泵系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

光伏水泵系統(tǒng)集光、電、機(jī)控制于一體，是光電能量變換、電力電子變換、電機(jī)控制、流體機(jī)械設(shè)計(jì)等學(xué)科交叉、結(jié)合的集成應(yīng)用，已被許多國(guó)家列為技術(shù)優(yōu)先發(fā)展對(duì)象，并成為新能源技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。大力發(fā)展光伏水泵技術(shù)可以有效緩解無(wú)電區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉和生活生產(chǎn)供水問(wèn)題[3]，對(duì)減少化石能源消耗、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高人們生活質(zhì)量具有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有非常好的應(yīng)用前景。

2 鄭州地區(qū)的太陽(yáng)能資源條件

我國(guó)疆域遼闊，太陽(yáng)能資源豐富，約2/3 的國(guó)土面積年日照在2 200 h 以上，年太陽(yáng)輻射量超過(guò)5 000 MJ·m-2。如表1所示，河南省地處我國(guó)中部，屬于太陽(yáng)能資源良好區(qū)，這為河南省充分利用太陽(yáng)能能源、減少化石能源消耗、改善能源結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力提供了較好的資源保障。

表1 中國(guó)太陽(yáng)能資源區(qū)劃及特征表

鄭州市作為中原城市群的中心城市，地處河南省中部偏北，位于北緯34°14′～35°54′、東經(jīng)112°54′～114°8′，其中鄭州市主城區(qū)（北緯34.7°、東經(jīng)113.6°）的光照參數(shù)如表2所示[4]。

表2 鄭州市主城區(qū)的光照參數(shù)表

可以看出，不論是夏季還是冬季，鄭州地區(qū)太陽(yáng)能資源較為豐富且比較穩(wěn)定，冬季太陽(yáng)能資源利用潛力較大，具有很好的應(yīng)用前景。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的歷史統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鄭州地區(qū)年輻照量4 200～5 400 MJ·m-2，年均日照時(shí)數(shù)為2 451.2 h，小時(shí)最大總輻射強(qiáng)度為1 153.66 W·m-2，年總輻射強(qiáng)度為1.63 MW·m-2。鄭州地區(qū)0～100 W·m-2的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度分布頻率最大，共911 h，占全年總?cè)照諘r(shí)數(shù)的21%，超過(guò)100 W·m-2的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度占到年總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的79%，而且分布比較穩(wěn)定。夏季，雖然鄭州地區(qū)的太陽(yáng)總輻射約為拉薩地區(qū)的74%、烏魯木齊地區(qū)的81%，但其日照時(shí)數(shù)和日照百分率基本與蘭州持平，且略微大于拉薩。盡管鄭州地區(qū)資源一般，冬季太陽(yáng)總輻射約為拉薩地區(qū)的54%、烏魯木齊地區(qū)的58%，但其日照時(shí)數(shù)和日照百分率都高于烏魯木齊市，略低于蘭州地區(qū)。此外，與同地帶的武漢市、西安市、合肥市相比，鄭州地區(qū)的逐月太陽(yáng)總輻射比較優(yōu)越，且全年總輻射的變化比較穩(wěn)且平緩[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

鄭州地區(qū)太陽(yáng)能資源較為豐富且比較穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用前景，因此在鄭州地區(qū)大力推廣、發(fā)展光伏水泵系統(tǒng)有助于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉、噴霧施肥、農(nóng)產(chǎn)品清洗等問(wèn)題。在鄭州地區(qū)應(yīng)用推廣光伏水泵技術(shù)有望助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、促進(jìn)農(nóng)民增收，緩解傳統(tǒng)能源依賴和節(jié)能減排，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。