牧區(qū)太陽能提水經(jīng)濟效益的研究

李亮 吳永忠 朱俊峰 劉文兵

摘要 以干旱荒漠草原為背景對牧區(qū)太陽能與內燃機提水機具的經(jīng)濟效益進行估算。在實測及調查資料的基礎上，分析提水機具應用方便程度，比較投資與費用。結果表明，在25年的使用期中太陽能提水可節(jié)約81.43萬元，是內燃機組總費用的80.94%；年均節(jié)余3.26萬元，是內燃機組年度使用費的92.61%。經(jīng)濟效益的分析比較為太陽能提水在牧區(qū)的推廣提供依據(jù)，對改善牧區(qū)供水機具和保護草原生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

關鍵詞 太陽能提水；牧場供水；經(jīng)濟效益；干旱荒漠草原

中圖分類號 S214 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05336-02

水利經(jīng)濟計算是從經(jīng)濟上對工程方案進行選優(yōu)的依據(jù)，是研究水利工程建設是否可行的前提。牧場供水工程的經(jīng)濟效益，是指興建牧場供水工程，改善供水條件，節(jié)約能源，合理供水，提高經(jīng)濟效益[1]。

太陽能提水作為新能源的一種提水形式，已經(jīng)得到普遍的利用，在牧場供水中的利用已得到示范推廣。目前針對太陽能提水系統(tǒng)的研究已有很多成果，但對牧場供水太陽能提水經(jīng)濟效益的研究仍處于空白。研究針對現(xiàn)狀提水機具和太陽能提水的經(jīng)濟效益和方便程度，利用效益分析的方法，對錫林郭勒干旱荒漠草原的太陽能提水系統(tǒng)與原有的內燃機動力提水系統(tǒng)，進行經(jīng)濟效益比較。

研究顯示，太陽能提水比現(xiàn)狀利用內燃機動力提水機具方便程度大大提高，且運行費用較小。該研究對提高牧區(qū)生活水平，節(jié)約能源，保護草原生態(tài)環(huán)境具有重要作用，對改善牧場提水機具具有重要意義。

1 試驗區(qū)概況

試驗于2012年5月1日～2013年5月1日進行，試驗期分為夏季期為5月1日～10月1日153 d和冬季期10月1日～次年5月1日212 d。試驗區(qū)位于錫林郭勒盟蘇尼特右旗賽罕塔拉鎮(zhèn)西13 km處。

1.1 概況 蘇尼特右旗是一個以畜牧業(yè)為主的邊境旗，屬于典型的大陸性干旱氣候，是錫林郭勒草原乃至全國干旱荒漠草原草場發(fā)育的典型地區(qū)。其特點是冬季漫長寒冷，夏季酷熱干旱少雨，春、秋季多風。多年平均降雨量為179.88 mm，多年平均蒸發(fā)量長達2 000 mm，年平均氣溫3.9 ℃，最高氣溫達38.2 ℃，最低氣溫-35 ℃。該地區(qū)以西北風為主，年平均風速5.9 m/s，年平均風速5.9 m/s，最大風速11 m/s；日照充足，年日照時數(shù)為3 000多h，無霜期為132 d；土壤平均凍結日期11月3日左右，解凍日期為次年春季4月中間左右，年封凍期為160多d，最大凍土層2.8 m左右。水資源時空和地域分布不均且埋藏較深，境內無常年性河流，地表水貧乏，地下水的補給源主要靠天氣降水。

1.2 用水現(xiàn)狀 試驗對現(xiàn)狀試驗區(qū)周圍15戶牧民的用水情況，抽水費用，器具使用年限等進行了調查。根據(jù)實際調查，試驗區(qū)內牧戶用水采用水源井—內燃機提水—汽車拉水—水窖儲水的用水模式。

試驗水源井為筒井，與旁邊對照筒井為地下水串聯(lián)。井臺高0.5 m，圓形，內徑1.2 m，外徑1.5 m，塊石砌筑，水泥砂漿灌漿抹面。井壁為直上直下形式，混凝土井壁至水面附近。井深10.5 m，水面至井臺頂7.5 m，出水量20 m3/h時筒井水位基本保持不變。井口有井蓋防止污染水質。

現(xiàn)狀牧民提水機具主要為汽油內燃機動力機械帶動抽水泵提水。試驗井供給牧戶15戶，最遠距離18 km，最近距離1.5 km，均采用汽車攜帶水罐拉水，水罐為2 m312戶、3、4、5各1戶。牧戶水窖為4～10 m3，是生活和牲畜用水的取水水源。

2 試驗方法

試驗區(qū)有2個筒井，為試驗井和對照井，水源情況一致。試驗井安裝太陽能提水設備1套，配套逆變器和潛水泵；安裝水表，記錄出水量、抽水次數(shù)及抽水時間。對照井保持原樣，利用現(xiàn)狀內燃機具提水；安裝水表，記錄出水量、抽水次數(shù)、安裝時間，抽水時間及耗油量。

3 水量分析

3.1 需水量 試驗區(qū)15戶50人牧民草場總面積14 973.33 hm2（22.46萬畝），夏季牲畜量0.72×104羊單位，載畜量為2.075 hm2/羊單位，冬季牲畜量0.45×104羊單位。依據(jù)《內蒙古行業(yè)用水標準》人飲水定額45 L/m3，需水量為2.25 m3；夏季羊飲水定額8 L/m3，需水量為57.6 m3；總需水量為59.85 m3。冬季羊飲水定額6 L/m3，需水量為25.2 m3；總需水量為27.45 m3。

3.2 供水量 試驗井采用太陽能提水的配套水泵，出水定額15 m3/h，日平均抽水時間6 h，可供出水量90 m3/d；對照井內燃機供水配套水泵，出水定額15 m3/h，夏季日平均抽水時間4 h，安裝時間1.5 h，可供出水量60 m3/d，冬季日平均抽水時間2 h，安裝時間0.75 h，可供出水量30 m3/d，見表2。

3.3 供需水量分析 太陽能提水方便程度較高，減少安裝時間；但受到自然條件制約，最佳抽水時間為每日10時至16時，其他時間出水量減少，同時易受到陰天或云的遮擋，降低提水效率。當試驗區(qū)供水保證率夏季達到66.5%，冬季達到30.5%，設備即可滿足試驗區(qū)用水需求。針對太陽能提水的保證率低，易損壞的特性，及內燃機提水保證率高，不受時間限制的特點，內燃機提水可作為太陽能提水的備用設備。

4 經(jīng)濟費用分析

4.1 一次性投資 現(xiàn)狀試驗區(qū)牧戶每戶配備雅馬哈2 kW EF2600汽油內燃發(fā)電機組1臺，2寸便攜式自吸小型水泵1臺，根據(jù)調查市場報價分別為0.23萬元和0.05萬元；15戶牧民提水設備合計4.2萬元。

試驗區(qū)安裝太陽能提水總費用4.17萬元（安裝設備全部以到場價格計），其中太陽能板1.1 kW，支架2套，太陽能提水控制器1臺，水泵1臺，電線200 m，混凝土地基2個，防護網(wǎng)50 m，人工安裝3 d。太陽能提水設備所需費用為太陽能板0.77萬元，支架0.72萬元，控制器0.53萬元，水泵0.15萬元，電線0.12萬元；土建費用0.13萬元，安裝人工費用0.15萬元，合計4.17萬元。內燃機組與太陽能提水機組一次性投資基本相同，但內燃機組使用年限8a，太陽能提水機組使用壽命25a，是發(fā)電機組的3.13倍。

4.2 使用費用 試驗結果顯示，現(xiàn)狀試驗區(qū)牧戶配備內燃機組抽水，內燃機每次安裝機械時間為3 min，抽水時間4 min/m3，花費油量0.3 L/m3，以當?shù)赜蛢r和考慮運輸費按7.5元/L計，使用費用折合約2.25元/m3。

對照井夏季每戶用水量4 m3/d，出水量60 m3/d，抽水時間4 h/d，安裝時間1.5 h/d，使用時間4.5 h/d，花費油量18 L/d，使用費用夏季折合約135元/d，試驗期153 d合計費用2.07萬元。

對照井冬季每戶用水量2 m3/d，出水量30 m3/d，抽水時間2 h/d，安裝時間0.75 h/d，使用時間2.75 h/d，花費油量9 L/d，使用費用冬季折合約67.5元/d。試驗期212 d合計費用1.43萬元。

內燃機年度使用費用3.5萬元，8年期使用費用28萬元，25年期使用費用87.5萬元。太陽能無使用費用。

4.3 維修及管理費用 根據(jù)實際調查內燃機組使用年限平均每年檢修費用0.02萬元，8年期0.16萬元，25年期0.5萬元；內燃機組使用完后，牧戶隨水車攜帶走，無管理費用。

太陽能置于野外，易受到牛馬等牲畜損壞影響，雖有圍欄防護但損壞事件常有發(fā)生。據(jù)國內經(jīng)驗，太陽能提水每年維修1次，費用為0.5萬元，8年期4萬元，25年期12.5萬元；管理費用為0.1萬元，8年期0.8萬元，25年期2.5萬元。管理是太陽能提水設施使用的關鍵，管理得當可大大降低維修費用，節(jié)約成本。

4.4 經(jīng)濟效益分析 一次性投資太陽能提水8年期投資4.17萬元，是內燃機組投資4.2萬元的99%，基本相同。而太陽能提水25年期是發(fā)電機組投資12.6萬元的33.10%，說明一次性投資長期比較太陽能提水投資效益明顯（未考慮經(jīng)濟增長帶來的費用）。

使用費用主要是內燃機組耗費燃料，內燃機組耗費燃料18 L/d，使用費用高，對草原環(huán)境污染嚴重。而太陽能提水節(jié)約能源，同時不存在使用費用和環(huán)境問題，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益明顯。

維修及管理費用是內燃機組和太陽能機組每年必須耗費的費用，太陽能提水年費用0.6萬元，是內燃機組投資0.02萬元的30倍，說明太陽能提水維修及管理費用較高。

從年度費用考慮，太陽能提水年費用0.6萬元，是內燃機組年費用3.52萬元的17.14%，經(jīng)濟效益顯著。

結果顯示，太陽能提水設備具有較高經(jīng)濟效益，總費用8年期太陽能機組費用8.97萬元，是內燃機組費用32.36萬元的27.72%，年均節(jié)約3.46%；25年期太陽能機組費用19.17萬元，是內燃機組費用100.6萬元的19.06%，年均0.08%。研究顯示，太陽能機組總費用比現(xiàn)狀內燃機組8年期節(jié)約23.39萬元，年均2.92萬元；25年期節(jié)約81.43萬元，年均3.26萬元（表3）。

5 結論

研究針對牧區(qū)供電困難，內燃機具費用高的特點，提出費用變化曲線利用太陽能解決牧區(qū)供水問題，并對太陽能與現(xiàn)狀內燃機使用的費用效益進行分析。研究顯示，太陽能提水機組是牧區(qū)供水實用性較強的機組，在25年的使用期中可節(jié)約81.43萬元，是內燃機組總費用的80.94%，年均節(jié)余3.26萬元，是內燃機組年度使用費的92.61%。

太陽能提水設備的使用降低牧民提水費用和體力勞動，提高提水方便程度，減少牧區(qū)燃料的使用，每年可節(jié)約燃料4 662 L，對牧區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

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責任編輯 徐寧 責任校對 況玲玲