利用光伏水泵技术建设绿色大西北
余世杰 刘因 苏建徽 沈玉梁 何慧若
合肥工业大学能源研究所，安徽合肥230009
1 光伏水泵系统技术日趋成熟
光伏水泵系统是太阳能、机械、电机、电力电子、计算机技术、多机群控技术等学科的综合，我国目前已经达到了可以批量产业化生产的程度，其技术水平已经可以和国外发达国家的产品水平相媲美。从经济性角度看，光伏水泵的运行成本已经证明大大低于柴油机水泵，由于近两年来国内外半导体太阳电池的不断降价，使光伏水泵相对于柴油机水泵的水价优势更加令人瞩目。此外，它还具有无人值守、高可靠性、与农作物的水蒸发量适配性好等特有的优点。图1给出了光伏水泵系统和柴油机水泵运行经济性的比较（图1和图2的价格单位均为相对值）。
从投资效益的角度看，若按银行年利率为5％、社会通货膨胀率2．5％计算，考虑到运行费用（含燃油、维修保养工时、机械零配件价格等在内），光伏水泵和柴油机水泵的经济性对比如图2所示。可以看出，若着眼于大于3年的运行年限，则使用光伏水泵将比使用柴油机水泵具有经济性优势。这一比较是基于前几年国际市场上太阳电池的价格为5美元／Wp得出的，如今国际市场上太阳电池组件的价格已降到了3．5美元／Wp，图2中的盈亏平衡点应该向小于3年的方向移动，这将更有利于光伏水泵系统的经济性。
近几年来，在清华大学由卢强院士领导的电力系统国家重点实验室，研制成功了电机与控制系统的集成技术。同时，他在合肥工业大学电气工程学院的跨校梯队新近研制成功了直流控制集成系统。这将进一步推动提高我国光伏水泵系统技术和群控技术的水平，从技术和可靠性的角度看，可以说已经跻身于世界先进行列，而在制造成
本上我国产品则具有更大的优势。
2 西北地区应用光伏水泵系统的合理性
2．1 建设绿色大西北具有经济、社会、环境多方面重要意义
21世纪中国经济建设的战略重点将移向大西北，不仅矿产等原材料和煤、石油、天然气等能源生产基地将移向西北地区，农业、牧业也将把西北地区作为优先发展地区。加快发展西北地区的经济，消除贫困，对于中国经济稳定和平衡发展具有重要意义。
西北贫困地区的首要问题是水的问题。在西北一些严重干旱地区，至今连饮水问题都还没有彻底解决。在可利用草地面积中，有30％因为缺乏人畜饮水而未能利用。应用光伏水泵对于解决这些贫困地区的饮用水和农牧业用水具有特别重要的意义。
由于人为破坏和不合理开发活动，西北地区本来就很脆弱的生态环境日益恶化。水土流失、森林减少、土地沙化、盐碱化、荒漠化、物种减少等生态环境问题越来越严重。推广应用光伏水泵技术，合理开发水、土等资源，建设绿色大西北，对于改善西北乃至全国的生态环境都有极其重要的意义。
2．2 西北地区资源问题主要是水资源问题
西北地区与全国相比，日照资源丰富，热能资源较丰富，土地资源也比较丰富，水资源贫乏或欠丰富。农业气候资源（指光、热、水及其组合）中，由于缺水，光热资源优势难以发挥。西北地区现有耕地和可垦耕地合计面积约占全国的10％，而农业气候资源生产量仅占全国的3％。西北地区如果解决灌溉问题，就可以大幅度提高农业生产力。在新疆、甘肃等地，如果合理开发利用水资源，推广节水农业技术，还可以进一步扩大耕地面积。如果灌溉水能够保证，仅新疆可垦耕地就可达300万hm2。水资源是制约西北地区发展的主要问题。
水资源是指可更新补充、可永续利用的淡水资源，属于可再生资源。水资源总量包括河川径流量和地下水量。西北地区水资源有以下三个特点。一是水资源总量偏少。西北内陆河流域面积为国土面积的32％，水资源为全国的8％，从总体上看西北地区水资源非常贫乏。二是地下水资源相对丰富，地下水在水资源总量中的比例高达45％，因此在西北地区水资源中，地下水占有十分重要的地位。近年来在塔里木、柴达木、罗布泊等最干旱的沙漠地区发现大量地下水，地下水资源量有望进一步增加。三是地下水资源大部分分布在山前平原地带，主要如祁连山、天山、昆仑山山前地带。对这些地带而言，地下水资源是丰富或比较丰富的。而这些地带正是可耕土地和人口集中分布的地带，是主要经济带。
在讨论西北地区水资源问题时，不仅要看到总体上水资源贫乏，也应该看到西北地区大片国土为高山、戈壁和沙漠，适宜居住和耕作的主要是山前平原地带，而这些地带的水资源，尤其是地下水资源并不贫乏。
西北地区是年降水量不足400mm的干旱、半干旱地区，农业生产需要常年灌溉。年要求灌溉量为2000～5000m3／hm2，如果采用节水灌溉技术，大约只有这个数字的1／2到1／5。从水土资源平衡的角度来看，西北地区现有耕地面积0．1亿hm2，荒地总面积0．12亿hm2，即使全部开垦为耕地，按照年要求灌溉量2000m3／hm2计算，也只需要利用西北地区水资源总量的20％。新疆现有耕地加上宜农荒地共700多万hm2，年要求灌溉量150亿m3，也只需要利用水资源总量的20％左右。只要科学规划、合理开发，尤其是合理利用地下水，西北地区水资源是可以满足农牧业需要的。目前，西北大部分地区地下水资源利用率不高，其原因之一是缺乏电力及地域广阔而不便架设输电线。而光伏水泵不仅能克服这一缺点，而且能充分利用西北地区日照资源丰富的特点，因此是非常适用于开发西北地区地下水资源的技术。
2．3 在西北地区合理开发地下水是可行的
西北地区传统的灌溉方式是引河水漫灌。这种方式不仅浪费水资源，而且造成大面积土壤次生盐碱化，如新疆盐碱化面积已经占耕地面积的50％。解决的办法是合理开发地下水，使地下水位适当降低，既增加灌溉面积，又减少盐碱化面积。
西北地区河川径流的主要补给来源是高山冰雪融水。河流一出山，大部分水便渗入地下，成为地下水。地下水经过山前平原地带继续向盆地中心运移，以泉的形式再流出地表，蒸发进入大气，再通过降雪回到地面。这是对西北地区水循环的简单描述，地下水是这个循环中的一种形式，一个过程。在山前平原地带开采地下水，只要不超过补给量，就不会引起地下水位下降。由于将一部分地下水提取到地表用于灌溉，进入盆地中心的水相应减少，但是水进入盆地中心之后矿化度迅速升高，实际上是不能利用的。因此在山前平原地带开采地下水，不会破坏水的循环和平衡，而且使水资源的利用更加合理，是可行的。
过量开采地下水可能产生的不良后果主要是地下水位下降，致使地表植被大量枯死。另外可能导致地下水矿化度逐渐增高，最终无法利用。只要不过量开采，这些情况是可以避免的。有时，地下水位下降的原因并不是开采地下水，而恰恰是上游没有充分合理利用地下水，一味过多地截取河水，致使下游地区地下水位下降。如塔里木河下游300多km河道断流，大片天然胡杨林濒于毁灭，就属于这种情况。因此，关键是科学规划和管理，包括对地表水和地下水的整体规划和管理。
3 预期效益
3．1 解决饮水问题
光伏水泵可以解决严重干旱地区和边远偏僻地区农牧民的饮水问题，这不仅有经济效益，而且有社会效益。
光伏水泵还可以解决石油勘探、采矿、边防、道路养护、通信线路维护、自然保护区、旅游、文物古迹保护等高度分散站点人员的用水和用电。尤
其在促进矿业和特色旅游的发展方面将产生巨大效益。
3．2 提高农牧业生产水平
有了水，可以扩大灌溉面积，扩大垦荒面积，提高单产。假设平均每公顷增产粮食1000kg，西北地区现有耕地便可增产粮食100亿kg。224万hm2荒地开垦为耕地，每年又可增产粮食100亿kg。
有了水，可以改良天然草地，开发人工草地，提高草地畜牧业生产水平。目前我国天然草地产值仅为每公顷15元，新疆在改良的天然草地饲养良种细毛羊，产值提高30倍。如果将中国草地的1／10建成人工草地，则可增加1．5～2．0亿只羊单位的生产潜力，增加产值超过100亿元。一旦用光伏水泵解决了饮水问题，中国北方还可以增加利用7300万hm2优质天然草地。
3．3 改善生态环境
应用光伏水泵和节水灌溉技术可以在沙漠中大面积植树造林，大大提高造林成活率，促进“三北”防护林建设。由于扩大灌溉面积和人工草地面积，可以防止土地退化、沙化，将为减少水土流失，防治荒漠化，改善生态环境作出巨大贡献。
3．4 促进我国太阳能工业的发展
光伏水泵的应用领域非常广泛，国内潜在市场需求巨大。大规模应用光伏水泵将大大促进我国太阳能工业的发展，使其成为新的产业和新的经济生长点。
3．5 用于灌溉的投资分析
在西北绿洲农业区，灌溉得到保证的春小麦产量可达7500～9000kg／hm2。春小麦年要求灌溉量为2000～4500m3／hm2，棉花年要求灌溉量为3000～5000m3／hm2。如果采用节水灌溉技术，灌溉量只有上述数字的1／5至1／2。
西北山前平原区地下水埋深一般小于30m，很多地方小于15m。每套光伏水泵日出水80m3，加上配套的节水灌溉设施，按照作物生长期中最高灌水定额计算，可以灌溉100亩以上。
目前国产光伏水泵性能已经达到90年代国际先进水平，每套造价11万元。打井按2万元计，节水灌溉设施按每亩300元计，则初期投资为每亩1600元。2年即可收回投资。光伏水泵的使用寿命大于20年，20年的运行和维护费用只有2万元，按照20年计算的效益则更加显著。
4 结论
①光伏水泵作为一种新能源技术具有一系列优点，特别适用于我国西北地区。
②发展光伏水泵技术建设绿色大西北具有经济、社会、生态环境等多方面的重要意义。
③西北地区地下水资源可以满足需要。只要科学规划和管理，在西北地区大规模应用光伏水泵技术不会破坏生态环境。
④我国光伏水泵技术已经成熟，预期效益明显，应先选择一二个有代表性的区域作为试验示范区，尽快进入大规模应用阶段。
⑤光伏水泵的大规模应用将促进我国太阳能工业成为新的经济增长点。
参 考 文 献
1 卢强．依靠科技建设绿色大西北．全国政协九届二次大会发言材料，1999
2 李宝兴．论我国干旱地区山前平原的地下水资源及其农业利用．水文地质科技成果汇编．中国人民解放军 基建工程兵水文地质指挥部，1981
3 余世杰．光伏水泵系统．太阳能学报专辑，1999（10）
4 何希吾等．中国资源态势与开发方略．武汉：湖北科学技术出版社，1996
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