風油互補提水裝置在稻田灌溉上的應用

王文蔚

（江蘇省海安縣新能源業(yè)商會，江蘇海安 226600）

風力提水是一種古老的風能利用形式，13世紀已經(jīng)應用，例如在荷蘭的歷史上，曾經(jīng)利用風車排除沼澤地的積水，保障了全國三分之二的土地免受海水倒灌的威脅。我國也有風能利用的技術，數(shù)百年前江蘇省海安縣已經(jīng)有風力提水的記載。風力發(fā)電是目前最成熟的可再生能源利用技術之一，但是由于風力發(fā)電具有隨機性，大規(guī)模利用風力發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊很大，制約了風力發(fā)電技術的推廣應用。風車提水就地利用風能，可以擺脫風能利用對電網(wǎng)的依賴和制約，也是今后風能利用的一個有效途徑。隨著風力機性能的提高，風力提水作為一種綠色技術，具有推廣利用的可行性。本文以江蘇省海安縣利用風能提水灌溉水稻田為例，分析風車提水灌溉的可行性以及推廣風能提水的一些建議。

1 海安縣的風能資源和提水灌溉歷史

江蘇省海安縣地處黃海之濱，離長江較近，縣域的北部屬里下河地區(qū)，河港交錯，是有名的魚米之鄉(xiāng)。該縣風力資源較為豐富，根據(jù)江蘇省氣象情報資料室提供的資料，1959—1980年海安縣城近郊各月的平均風速為3.3m／s，年有效風速為3 625h，年有效風能密度為108.4W／m2，年有效風能為393kWh／m2。在離鎮(zhèn)郊區(qū)3～5km的地域測量，發(fā)現(xiàn)風速比近郊還要增加30%～50%，因此該縣年平均風速為4～5m／s，年有效風速為4 000～5 000h，屬于風力資源較佳區(qū)。

2012年1月11日海安縣氣象站提供的風速資料：2009年1—12月月平均風速分別為2.4，2.8，2.8，2.6，2.1，2.3，2.4，3.0，2.3，1.6，3.0，2.4m／s；年平均風速為2.5m／s；年內(nèi)瞬時最大風速為22.0m／s。2010年1—12月月平均風速分別為2.5，2.7，3.4，2.7，2.4，2.1，1.9，1.8，2.2，2.2，1.7，2.8m／s；年平均風速為2.4m／s；年內(nèi)瞬時最大風速為15.6m／s。2011年1—12月月平均風速分別為2.1，2.1，2.3，2.7，2.4，2.4，1.9，2.1，2.3，1.9，2.1，2.1m／s；年平均風速為2.2m／s；年內(nèi)瞬時最大風速為20.3m／s。

豐富的風力資源可以作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設備的動力，海安地區(qū)已有數(shù)百年的風車戽水歷史，特別是解放后我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，用戽水灌溉的風車也越來越多，鄉(xiāng)村沿河兩岸簇立的風車隨風旋轉(zhuǎn)，清澈的河水從河里被木制槽筒內(nèi)上下翻轉(zhuǎn)的木板戽上岸來，白花花的水順著渠道流入稻田，那種令人難忘的田園風光，成為該縣一道亮麗的風景。據(jù)說，這種古老的風車在海安從明朝一直沿用到1979年。不過限于當時的技術水平，這些老式風車存在許多缺陷，因此逐步被電力灌溉所替代，到了1979年該縣已經(jīng)沒有提水風車了。

據(jù)統(tǒng)計，1963年海安縣擁有風車7 208臺，擔負著全縣一半以上18 667公頃（1hm2＝15畝）稻田的灌溉任務，每年可節(jié)省用電約980萬kWh，在當時的經(jīng)濟環(huán)境下發(fā)揮了很大作用。根據(jù)當時的物質(zhì)條件和科技水平，戽水的風車全部是手工制作。風車的葉輪一般由6～8片葉片組成，葉輪直徑約為10m，下端離地不到1m。葉輪采用木頭做支架，一旦風向發(fā)生變化，只要移動木頭支架就可以使葉輪的迎風面面對來風。風輪葉片采用棉布，用毛竹支撐葉片，葉片可在毛竹上滑動，當風速變化時通過移動棉布，改變?nèi)~片的受風面積，使轉(zhuǎn)速保持在合理范圍內(nèi)，避免風車受損。

1982年6月6—16日，在海安縣角斜農(nóng)機站，對這種風車的效率進行了實際測量。當時選用2臺尺寸一樣（葉輪直徑為2m），安裝高度一樣（葉輪下端離地為5m），兩臺相距50m以上。其中一臺是傳統(tǒng)布質(zhì)風車，葉片8片，另一臺是現(xiàn)代風力機，葉片亦為8片。它們各自拖帶1臺同型號同規(guī)格的單相交流發(fā)電機，供給同樣大小的負荷（電燈），用單相電能表記錄240h所用電能，風車的效率為20%～25%。

2 風力提水技術的改進

水泵的啟動轉(zhuǎn)矩大，用于提水的風力機必須具有較大的風能利用系數(shù)和較大的轉(zhuǎn)矩，以適應其特點，因此風力機必須采用多葉片組成的葉輪，一般取12～14片，采用現(xiàn)代技術制造的這種風力機，風能的利用效率可以達到70%左右。

采用風力機提水，當水稻生長急需要水時，有可能缺少能啟動風車運轉(zhuǎn)的風。為了不延誤農(nóng)時，過去的做法是用人力或畜力轉(zhuǎn)動戽水水車進行灌溉。不過這種技術已經(jīng)不適合當前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。為了減少風力的波動性對發(fā)電量的影響，現(xiàn)代風電機組特別是離網(wǎng)型風電機組，可以采用蓄電池組對機組的發(fā)電進行儲存，但是風力機提水如果采用這種方法，除了增加蓄電池組外還必須增加發(fā)電設備和電動機等，技術復雜，制造成本高，維護困難，不適合農(nóng)村使用，也違背了風力機提水為了提高效率減少投資直接利用風能的原則。

在實際使用中，只要風力提水站附近有市電可用，采用電動機做后備的動力源將是風力提水最好的補充辦法。如果沒有這樣的條件，也可以采用柴油機作為備用動力源。這種互為補充的技術容易掌握，設備投資不多，農(nóng)村容易接受。在實際運行中，當風力足夠大時由風力機單獨帶動水泵提水；當風力較小時由柴油機與風力機共同帶動水泵提水；當風力太小風力機無法運行時由柴油機單獨帶動水泵提水。柴油機的啟動以及風力機的接合或分離，可由人工操作也可采用自動化技術進行控制，例如：選用磁粉離合器可以實現(xiàn)風力機與水泵、或柴油機與水泵、或風力機加柴油機與水泵接合（或分離）的柔性操作和軟啟動。選用風速傳感器可以感知風速大小和變化，通過執(zhí)行電路可以對機組的運行和切換進行自動控制。

相關資料顯示，該縣平均每千瓦的電灌動力可以灌溉0.65公頃稻田，按每臺風力機灌溉7.4公頃稻田估算，要求風力機的功率相當于11.3kW，取12kW。按目前的風電設備市場價格計算，每1 kW風力機的設備投資約為5 000元，每臺造價約6萬元。1臺12kW的自動偏航模式的風力機配套1臺18.4kW（25馬力）自啟動柴油機組成一套互補式風力提水裝置，投資約7.6萬元，其中柴油機、水泵、磁粉離合器及其控制電路等約1.6萬元。

每臺風車可以灌溉稻田面積為7.4公頃。根據(jù)海安縣農(nóng)機管理部門提供的資料，2010年海安縣實有水稻面積為37 000公頃，只需5 000臺這樣的風車即可滿足全縣灌溉需要。如果以每畝可以節(jié)省電能35kWh計算，每臺機組每年節(jié)電為3 885kWh，全縣每年可以節(jié)電1 943萬kWh。

3 建議

12kW的風力—柴油機聯(lián)合提水機組的投資成本為7.6萬元，如果全部要農(nóng)民一次性投入，負擔可能大了點。建議政府有關部門制訂相關的政策，在推廣風力提水技術的過程中適當減輕農(nóng)民負擔。一方面，按照國家對大型農(nóng)業(yè)機械的補貼和對新能源產(chǎn)品補貼的政策，對提水機組的建設進行補貼；另一方面，還可以根據(jù)風力提水機組運行的減排效果進行獎勵。1臺12kW的風力—柴油機聯(lián)合提水機組每年可以減少CO2排放3.3 t，從“碳交易”角度出發(fā)，制訂相關標準和政策，對農(nóng)民給予一定的減碳補償。