湘西地區(qū)光伏水泵應(yīng)用優(yōu)缺點分析

李家浦 薛 輝

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

湘西州位于云貴高原與鄂西山地的結(jié)合部，武陵山脈由東北向西南斜貫全境，地形復(fù)雜，交通不便。州內(nèi)農(nóng)作物多依山而種，梯田式的耕作方式是本地種植的特色。湘西州處于亞熱帶季風(fēng)氣候帶，雨季降雨量充沛，但夏天時有炎熱少雨的情況發(fā)生。同時受地形的限制，偏遠貧困地區(qū)用電不便。某些地區(qū)依然采用人工或畜力背水的方式采集飲用水和灌溉水。課題項目研究將低洼處水源使用光伏水泵抽送到灌溉區(qū)域，著力減輕農(nóng)民負擔(dān)，解決社會問題，同時實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增收，為精準(zhǔn)扶貧貢獻力量。

1 光伏水泵系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

1.1 光伏水泵系統(tǒng)的構(gòu)成

1975年，第一臺光伏水泵問世。但因為太陽能電池技術(shù)的限制使用，使用范圍非常小。隨著30多年的發(fā)展進步，現(xiàn)在全世界已經(jīng)投入使用的各種光伏水泵不計其數(shù)[1]。光伏水泵主要由光伏揚水逆變器、光伏陣列、追光系統(tǒng)、水泵等構(gòu)成。在某些條件允許的地區(qū)，也可以在灌溉區(qū)修建蓄水池，將光伏陣列的電能用于水池蓄水，從而節(jié)省蓄電池的成本。光伏水泵系統(tǒng)可以分為直流光伏水泵系統(tǒng)和交流光伏水泵系統(tǒng)。直流光伏水泵系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，功率較小，一般用于小型灌溉場景。而交流光伏水泵系統(tǒng)中光伏揚水逆變器可以將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，使輸出功率接近太陽電池陣列的最大功率，功率較強，一般用于大型或中型的灌溉用水場景。

1.2 光伏水泵系統(tǒng)與柴油水泵和電網(wǎng)供電水泵的成本對比

光伏水泵系統(tǒng)相比較于柴油水泵系統(tǒng)和電網(wǎng)供電水泵系統(tǒng)，在系統(tǒng)整體使用成本上有一定的優(yōu)勢。假設(shè)三種水泵系統(tǒng)的水泵功率、功率因數(shù)、年運行時間都相同，光伏水泵與電機水泵年耗電量相同、3種水泵系統(tǒng)的水泵壽命也相同。電機水泵電網(wǎng)距離按1km計算，則需增加架設(shè)電網(wǎng)費用15萬元，電費按0.5元/kWh計算；柴油機油耗0.33L/kWh，柴油價格按6元/L計；光伏組件以10kw計算。通過計算，光伏水泵系統(tǒng)系統(tǒng)總投入為10萬元，柴油水泵系統(tǒng)系統(tǒng)總投入為20.567萬元，電網(wǎng)供電水泵系統(tǒng)總投入為23.246萬元，顯然光伏水泵系統(tǒng)在初投和運行成本方面相對于其他常用的兩種是有優(yōu)勢的。

1.3 光伏水泵系統(tǒng)與柴油水泵在環(huán)境成本方面的對比

2017年10月18日，習(xí)近平同志在十九大報告中指出，堅持人與自然和諧共生。我國對大氣污染物的排放量高度重視，近年來不斷強調(diào)節(jié)能減排。與柴油水泵系統(tǒng)相比，光伏水泵系統(tǒng)在運行時處于零排放的狀態(tài)。而柴油機組在運行時會排放一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物以及顆粒物。柴油在運輸和使用的過程中出現(xiàn)泄漏，不僅會污染環(huán)境，遇火還會引發(fā)火災(zāi)[2]。

2 光伏水泵系統(tǒng)應(yīng)用方面的缺點

2.1 光伏水泵系統(tǒng)前期投入較大

“十一五”期間，國家電網(wǎng)農(nóng)電系統(tǒng)大力實施“三新”農(nóng)電發(fā)展戰(zhàn)略，著力推進農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)與改造“戶戶通電”工程、新農(nóng)村電氣化建設(shè)。隨著農(nóng)村電網(wǎng)改造升級，光伏水泵系統(tǒng)在設(shè)備方面的優(yōu)勢逐漸消失。原本的電網(wǎng)假設(shè)成本被國家以公益服務(wù)的方式分攤。電網(wǎng)供電水泵設(shè)備相對簡單，初投成本較低，為光伏水泵系統(tǒng)初投成本的1/3～1/15倍。

2.2 光伏水泵系統(tǒng)區(qū)域性較強

光伏水泵應(yīng)用時有間歇性和隨機性，發(fā)電量與氣候條件有關(guān)，在晚上或陰雨天就不能或很少發(fā)電。同時能量密度較低，標(biāo)準(zhǔn)條件下，地面上接收到的太陽輻射強度1000W/M2。大規(guī)格使用時，對作物用地占用較多。在交通不便的貧困偏遠地區(qū)，建設(shè)費用也是一筆不小的支出。

2.3 光伏水泵系統(tǒng)的核心設(shè)備生產(chǎn)屬于高污染高能耗

光伏太陽能陣列的生產(chǎn)具有高污染、高能耗的特點。其制作過程十分復(fù)雜，要經(jīng)過切片、清洗、制備絨面、周邊刻蝕、去除背面PN+結(jié)、制作上下電極、制作減反射膜、燒結(jié)、測試分檔等10步步驟。制作過程中本身要消耗大量的能源，其次晶體硅電池的制造過程也是高污染、高能耗的。

3 結(jié)語

具體到湘西地區(qū)，光伏水泵系統(tǒng)在山地輔助農(nóng)作物種植方面，在經(jīng)濟效益方面和環(huán)境效益方面對比常用的水泵系統(tǒng)都具有不小的優(yōu)勢。但從服務(wù)地方經(jīng)濟的角度，尤其是支持國家脫貧攻堅大政方針方面，光伏水泵系統(tǒng)如何使用還需要進一步的探討和研究。