太陽能提灌在西山提黃工程應(yīng)用的可行性分析

（山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心 山西太原030002）

1 太陽能提灌發(fā)展概況

太陽能提灌站已經(jīng)有近40年的發(fā)展歷史。1977年美國開啟了太陽能技術(shù)在灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用的先河[1]。20世紀(jì)末，國內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)也開始了太陽能提灌技術(shù)的探索。目前，四川、浙江、青海、新疆等地均在大力推廣該技術(shù)，并取得了很好的示范效果[2]。2009年，為了落實(shí)國務(wù)院節(jié)能減排戰(zhàn)略部署，財(cái)政部、住建部印發(fā)財(cái)政部財(cái)建文件，對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行補(bǔ)貼，進(jìn)一步加快推進(jìn)太陽能光電技術(shù)在城鄉(xiāng)建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，太陽能提灌在山西省還處于空缺，本文作者通過搜集相關(guān)資料文獻(xiàn)，針對(duì)山西省西山提黃工程的特性，分析了太陽能提灌工程在西山提黃工程應(yīng)用的可行性。

2 西山提黃工程基本情況

2.1 西山沿黃地區(qū)基本情況

西山沿黃地區(qū)位于山西省西部黃土丘陵溝壑區(qū)，該區(qū)河流流程短、坡度陡、含沙量高。地勢(shì)總趨勢(shì)由西北向西南傾斜，海拔高程大致在300～2 050 m 之間。該地區(qū)氣候特點(diǎn)是：春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季溫潤(rùn)涼爽，冬季寒冷少雪。年平均日照2 417～2 714 h，最長(zhǎng)達(dá)2 985.5 h，最短有1 958.7 h。多年平均降雨量495 mm，由于受氣候、地形等因素影響，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)降水量時(shí)空分布不均勻，最大降水量一般發(fā)生在7、8月份。

西山沿黃呂梁、忻州、臨汾3 市11 個(gè)縣均屬國家級(jí)貧困縣，地高水低，灌溉基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，守著黃河無水用，十分影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)民群眾的生產(chǎn)生活，有效灌溉面積僅占整個(gè)區(qū)域耕地面積的1/3。由于輸沙量大，洪水陡漲陡落，且徑流量年際和年內(nèi)變化較大，本地水資源開發(fā)利用難度較大、潛力很小，利用黃河干流水資源是解決這11 縣水資源短缺問題的有效途徑。

2.2 西山提黃工程基本情況

為進(jìn)一步推進(jìn)西山沿黃地區(qū)經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)，從根本上改變荒灘旱塬地區(qū)的干旱、低產(chǎn)、貧困面貌，根據(jù)我省甘露行動(dòng)計(jì)劃，在呂梁、忻州、臨汾沿黃3 市11 縣啟動(dòng)大規(guī)模提黃灌溉項(xiàng)目。第一批和第二批共15 處西山提黃灌溉工程平均投資為3 304 萬元，平均揚(yáng)程為417.5 m，平均流量為0.29 m3/s，平均設(shè)計(jì)灌溉面積為920.46 hm2，可見工程具有投資大、揚(yáng)程高、流量小、控灌面積大等特點(diǎn)。

3 太陽能提灌技術(shù)與傳統(tǒng)電力提灌技術(shù)對(duì)比分析

通過將四川省攀枝花市多座太陽能提灌站與傳統(tǒng)電力提灌站建設(shè)對(duì)比分析[2-4]，發(fā)現(xiàn)太陽能提灌站較傳統(tǒng)電力提灌站主要有以下優(yōu)勢(shì)：

1）經(jīng)濟(jì)成本方面

提灌站的經(jīng)濟(jì)成本主要包括兩個(gè)方面：一是建設(shè)投資，目前新建小型太陽能提灌站單位投資較電力提灌站高約2 萬元/kW；二是運(yùn)行費(fèi)用，太陽能提灌站運(yùn)行費(fèi)用約為0.4 元/m3，而電力提灌站運(yùn)行費(fèi)用隨著揚(yáng)程的增加而線形增加。據(jù)初步測(cè)算，太陽能提灌站在運(yùn)行5～10年后，其經(jīng)濟(jì)性可逐步體現(xiàn)。

以四川省攀枝花市迤沙拉太陽能提灌站為例，實(shí)際建設(shè)投資306 萬元，如果采用電力提灌建設(shè)（含輸變電配套設(shè)施），則建設(shè)投資在150 萬元左右。但是太陽能提灌相比電力提灌年可節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用20 萬元以上，運(yùn)行8～10年后，靜態(tài)投資就將逐年低于電力提灌方案。

2）節(jié)能減排方面

太陽能提灌站利用太陽能提水，相比傳統(tǒng)電力提灌站可有效節(jié)約能源[5]。搜集相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，每節(jié)約1 kW·h 電，就相應(yīng)可節(jié)約0.4 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減少污染排放0.997 kg 二氧化碳、0.272 kg 碳粉塵、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg 氮氧化物。

以迤沙拉太陽能提灌站為例，每年可節(jié)約用電約24 萬kW·h，節(jié)約電費(fèi)13 萬元（按電價(jià)0.55 元/kW·h估算）。1年可節(jié)約96 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，可減少污染排放23.93萬kg 二氧化碳、6.53 萬kg 碳粉塵、0.72 萬kg 二氧化硫、0.36 萬kg 氮氧化物。

3）技術(shù)先進(jìn)性方面

太陽能提灌站可采用太陽能專用水泵，效率轉(zhuǎn)化較電力提灌技術(shù)大大提高，在高揚(yáng)程時(shí)尤其顯著。且太陽能提灌站通常需要采取較高的智能化控制系統(tǒng)，可降低人力成本，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。

以迤沙拉太陽能提灌站為例，如果采用電力提灌技術(shù)測(cè)算水泵功率需要185 kW，而實(shí)際采用太陽能提灌技術(shù)水泵功率僅為117 kW，裝置效率可高出58%。

4）其他方面

目前，太陽能提灌站的相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)還不太成熟，生產(chǎn)廠家比較少。太陽能提灌技術(shù)的推廣應(yīng)用可以促進(jìn)太陽能相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，增加光伏產(chǎn)品應(yīng)用途徑，推動(dòng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整[6]。

通過以上分析，可知太陽能提灌站較傳統(tǒng)電力提灌站有經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排、技術(shù)先進(jìn)性等方面的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在諸多不足之處：

1）運(yùn)行條件

搜集研究相關(guān)資料可知，太陽能提灌技術(shù)發(fā)揮最佳效益需年光照在1 600 h 以上，且只能在光照較好的6～8 h 內(nèi)提水，水量調(diào)節(jié)能力較弱，主要依靠抽蓄水調(diào)節(jié)。而電力提灌站則可以隨時(shí)調(diào)節(jié)。

2）占地

太陽能提灌站需要較為完整的開闊地?cái)[放電源系統(tǒng)光伏板，會(huì)占用一定土地資源。

以迤沙拉太陽能提灌站為例，提灌站共需光伏板672 塊，每塊占地1.66 m2，合計(jì)占地0.13 hm2。

3）建設(shè)管理

太陽能提灌站建設(shè)管理可借鑒案例較少，經(jīng)驗(yàn)缺乏，市場(chǎng)較小，還不十分規(guī)范[7]。而電力提灌站建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)較為成熟，建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)小。

4 太陽能提灌在西山提黃工程應(yīng)用的可行性分析

將西山提黃灌溉工程與四川試點(diǎn)太陽能提灌站相關(guān)特性對(duì)比分析，得出結(jié)論如下：

1）自然條件：有效應(yīng)用太陽能提灌站的首要前提就是要有足夠的太陽光照。在西山沿黃地區(qū)，年平均日照2 417～2 714 h，最長(zhǎng)達(dá)2 985.5 h，最短有1 958.7 h。參考四川省已運(yùn)行太陽能提灌站年日照小時(shí)數(shù)在2 300～2 700 h，西山沿黃地區(qū)的日照是能夠滿足運(yùn)行條件的。

2）太陽能電池板占地：以迤沙拉太陽能提灌站為例，控灌面積266.68 hm2，太陽能電池板約占地0.13 hm2。目前，已建成的西山提黃灌溉工程中，偏關(guān)豐臺(tái)梁的設(shè)計(jì)灌溉面積最大，達(dá)到2 007.67 hm2，按比例考慮，占地在1.00 hm2左右。偏關(guān)石峁的設(shè)計(jì)灌溉面積為66.7 hm2，按比例考慮，占地在0.03 hm2左右?？紤]到土地生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需求，建議在控灌面積比較小的提黃工程中引用太陽能提灌技術(shù)。

3）水源：西山提黃灌溉工程水源為黃河水，含沙量比較大，太陽能提灌站所用太陽能專用泵對(duì)水質(zhì)要求比較高，如果不經(jīng)過過濾處理，可能會(huì)對(duì)水泵的磨損比較大。西山提黃建管中心的水源課題中，通過一系列的實(shí)驗(yàn)研究，建管中心提出解決沿黃提灌水源工程選取原則，即工程設(shè)計(jì)流量較小且灘地覆蓋層條件理想，同時(shí)具備集水面積條件，可考慮采用滲井（渠）濾取水方案；設(shè)計(jì)流量較大的工程，建議采用浮船等直接取水方案，如灘地條件允許可配套沉沙條渠等設(shè)施。因此，太陽能提灌站在西山提黃的應(yīng)用，應(yīng)該考慮采用滲井（渠）濾取水或配套相關(guān)的沉砂取水設(shè)施，采用這兩種取水方式，可以減少對(duì)太陽能專用泵的磨損以延長(zhǎng)其使用壽命。

4）技術(shù)參數(shù)：第一批和第二批西山提黃灌溉工程與四川省太陽能提灌工程相比，均屬于大流量，高揚(yáng)程提灌泵站，且灌溉面積大，故所需裝機(jī)容量較大。目前，四川攀枝花已建世界上揚(yáng)程最高的提灌站，揚(yáng)程888 m，西山提黃工程揚(yáng)程在25～843 m 之間，最大揚(yáng)程為鄉(xiāng)寧譚坪提灌工程843 m。就已有的經(jīng)驗(yàn)分析，揚(yáng)程是可以達(dá)到的。目前，太陽能專用泵的功率、流量等參數(shù)較普通泵低，如果在西山提黃工程中采用，初步建議選取控灌面積不大的提灌站試用。

5）電力配套：目前，四川省已建的太陽能提灌站均屬于裝機(jī)容量比較小的小型提灌站，其太陽能發(fā)電均能滿足提灌需求，但在裝機(jī)容量較大的情況下，太陽能發(fā)電在供電穩(wěn)定性及供電容量方面能否滿足需求尚無定論。如果在西山提黃工程中采用太陽能提灌，可選取裝機(jī)容量小的提灌站試用。

5 結(jié)語

結(jié)合西山提黃工程的實(shí)際情況，從自然條件、太陽能板占地、水源、技術(shù)參數(shù)、電力配套等幾方面綜合分析，太陽能提灌技術(shù)可以在采用滲井（渠）濾取水方式，且控制灌溉面積、流量和裝機(jī)容量均較小的提灌站試用，例如首批12 處項(xiàng)目中的偏關(guān)石峁提灌工程、柳林上莊提灌工程、興縣張仁碧提灌工程。