農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的初步研究

王 進(jìn)，肖振興，梁 甜

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)沙 410014)

0 引言

光伏發(fā)電作為一種清潔的可再生能源利用方式，持續(xù)受到關(guān)注，并出現(xiàn)了多種將光伏產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的應(yīng)用模式，比如，農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的農(nóng)光互補(bǔ)電站、漁業(yè)養(yǎng)殖與光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的漁光互補(bǔ)電站等，且經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益顯著。

農(nóng)業(yè)灌溉作為保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要方式，是指對(duì)農(nóng)業(yè)耕作區(qū)進(jìn)行的灌溉作業(yè)，是為解決自然降水量不足或水資源分布不均勻的問(wèn)題而對(duì)耕地進(jìn)行的水分補(bǔ)充，一般可分為傳統(tǒng)的地面灌溉、普通噴灌及微灌等方式。我國(guó)是一個(gè)水資源貧乏的國(guó)家，在世界范圍內(nèi)屬于最貧水國(guó)之一，人均占有量?jī)H為美國(guó)的1/5；并且我國(guó)38%的耕地分布在西北、華北和東北等北方地區(qū)，這些地區(qū)的氣候條件屬于干旱少雨的類(lèi)型，水資源則更為匱乏。

因此，將農(nóng)業(yè)灌溉與光伏產(chǎn)業(yè)相結(jié)合具有較為重要的意義。本文提出了一種農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，并分析了其應(yīng)用可行性和效益性。

1 農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展概況及趨勢(shì)

1.1 我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展概況

在我國(guó)北方地區(qū)，50%以上的土地缺少農(nóng)業(yè)灌溉，造成我國(guó)灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.53，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家0.8 的平均水平，很難保證農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。同時(shí)，除了北方地區(qū)缺乏農(nóng)業(yè)灌溉基礎(chǔ)設(shè)施外，我國(guó)很多地方采用的還是落后的灌溉方式，水資源利用率低[1]。

為解決農(nóng)業(yè)灌溉的問(wèn)題，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了引進(jìn)吸收、推廣發(fā)展和激烈競(jìng)爭(zhēng)3 個(gè)階段。1)引進(jìn)吸收階段主要是引進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家的設(shè)備，并在國(guó)內(nèi)進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)、消化和研發(fā)，該階段引進(jìn)的主要是采用噴灌和微灌技術(shù)的產(chǎn)品；2)推廣發(fā)展階段主要是推廣節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備，在第1 個(gè)階段的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，突出節(jié)水功能，并形成了一定規(guī)模的初期市場(chǎng)；3)激烈競(jìng)爭(zhēng)階段仍然是發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備，與第2 個(gè)階段的區(qū)別是供應(yīng)方的數(shù)量和競(jìng)爭(zhēng)的激烈程度加大，但普遍存在廠家規(guī)模不大、行業(yè)集中度不高的現(xiàn)象。

1.2 農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展趨勢(shì)及思考

由于農(nóng)業(yè)灌溉中的地面灌溉與普通噴灌方式會(huì)使水資源不能得到充分利用，造成水資源的浪費(fèi)，因此目前主要推廣的是微灌等節(jié)水灌溉方式。

與節(jié)水灌溉并行研究的是節(jié)能灌溉。目前，節(jié)能灌溉主要是通過(guò)提高農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備的工作效率和經(jīng)濟(jì)性來(lái)整體提高灌溉技術(shù)的自動(dòng)化和電氣化水平。雖然節(jié)能灌溉是目前農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的研究方向之一，但將光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)灌溉結(jié)合卻是該研究方向中的一大空白。

如果將農(nóng)業(yè)灌溉中的節(jié)水、節(jié)能技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)出具有普適性的新產(chǎn)品，將具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 光伏跟蹤支架的發(fā)展概況及趨勢(shì)

2.1 光伏跟蹤支架的發(fā)展概況

光伏支架是光伏發(fā)電系統(tǒng)中為了擺放、安裝、固定光伏組件而設(shè)計(jì)的特殊支架，主要分為固定式和跟蹤式2 種。其中，光伏跟蹤支架是能夠自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的裝置，主要通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，使太陽(yáng)光一直垂直照射光伏組件，增加組件接收到的太陽(yáng)輻射量，從而提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體發(fā)電量。

光伏跟蹤支架主要包括機(jī)械部分和電氣部分，目前，光伏跟蹤支架主要分為水平單軸跟蹤支架、雙立柱斜單軸跟蹤支架、垂直單軸跟蹤支架和雙軸跟蹤支架這4 種類(lèi)型，其中使用較為廣泛的是水平單軸跟蹤支架[2]。

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前光伏跟蹤支架的單位成本比2009 年時(shí)降低了300%～400%，銷(xiāo)售價(jià)格也已降至0.7 元/W；相比于采用固定支架，采用光伏跟蹤支架將使光伏發(fā)電項(xiàng)目業(yè)主每年增加約0.1 元/kWh 的發(fā)電收益，若以20～25 年的壽命周期計(jì)算，因采用光伏跟蹤支架增加的投資成本可在3～4 年完成回收，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)較為明顯[3]。

2.2 光伏跟蹤支架的發(fā)展趨勢(shì)及思考

為了進(jìn)一步降本增效，光伏跟蹤支架的機(jī)械部分可以通過(guò)產(chǎn)品優(yōu)化來(lái)節(jié)省成本，電氣部分則可以通過(guò)提升穩(wěn)定性來(lái)減少運(yùn)行維護(hù)成本；而增效則需要賦予光伏跟蹤支架更多的功能，在單位成本不變的情況下實(shí)現(xiàn)更多的功能處理，從而提高其綜合效益。目前常見(jiàn)的增效方法是將光伏跟蹤支架與光伏產(chǎn)業(yè)內(nèi)的上、下游產(chǎn)品進(jìn)行融合。但若根據(jù)光伏跟蹤支架的產(chǎn)品特點(diǎn)將其與農(nóng)業(yè)中的需求相結(jié)合，在拓寬光伏發(fā)電應(yīng)用場(chǎng)景的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)其功能的附加和提升。

3 農(nóng)業(yè)灌溉與光伏跟蹤支架相結(jié)合的可行性

通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉和光伏跟蹤支架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，研發(fā)設(shè)計(jì)了一種新型產(chǎn)品——農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)利用重力水箱的平衡原理來(lái)驅(qū)動(dòng)光伏跟蹤支架跟蹤太陽(yáng)，既解決了光伏跟蹤支架的追日需求，還完成了組件的自動(dòng)清洗，同時(shí)又解決了農(nóng)業(yè)灌溉問(wèn)題。

圖1 為農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)的工作原理為：1)初始狀態(tài)時(shí)，光伏跟蹤支架上的光伏組件處于向東傾斜45°的位置，且清洗管路開(kāi)始自動(dòng)清洗光伏組件，從而使重力水箱為清空狀態(tài)；2)清洗完成后，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)由水泵系統(tǒng)給重力水箱供水，由于重力水箱的重力作用，光伏組件開(kāi)始向西轉(zhuǎn)動(dòng)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為15°，通過(guò)輸送不同的水量，可以使光伏組件處于不同的位置，但最終位置為向西傾斜45°，實(shí)現(xiàn)了光伏跟蹤支架的追日功能；3)完成光伏跟蹤支架的追日功能后，重力水箱的水量達(dá)到設(shè)計(jì)最大值，然后通過(guò)灌溉管路進(jìn)行灌溉，隨著重力水箱的水通過(guò)灌溉管路排出，光伏組件又逐漸回到初始位置。

圖1 農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的原理圖Fig. 1 Schematic diagram of solar power water-tracking generation system for irrigation

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1)以較低的成本實(shí)現(xiàn)了光伏跟蹤支架的追日功能。通過(guò)對(duì)光伏跟蹤支架的橫梁及立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，引入多項(xiàng)新型專(zhuān)利技術(shù)，精簡(jiǎn)了零部件；通過(guò)增加中間立柱，使一套支架可以容納更多的光伏組件，降低了單位造價(jià)，其成本與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水平單軸跟蹤支架相仿。

2)跟蹤精度滿足追日精度的要求?；诮Ｓ?jì)算結(jié)果，該系統(tǒng)利用重力水箱進(jìn)行角度平衡時(shí)的角度偏差低至±3°；該系統(tǒng)的發(fā)電量預(yù)計(jì)可比采用固定支架的提升21%～35%，該值與采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水平單軸跟蹤支架提升17%～30%的水平相仿。

3)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)灌溉、光伏跟蹤支架追日及光伏組件清洗功能三合一。將灌溉管路、重力水箱和光伏組件清洗管路集成共用1 套水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三重功能合一，并且成本低于“一般灌溉系統(tǒng)+常規(guī)光伏跟蹤支架+光伏組件自動(dòng)清洗系統(tǒng)”，從而可充分利用水資源。光伏裝機(jī)容量為1 MW 的該系統(tǒng)預(yù)計(jì)可灌溉30 畝農(nóng)田。

4 農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及前景預(yù)測(cè)

4.1 研究現(xiàn)狀

由于農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)屬于新型產(chǎn)品，對(duì)于其的研究國(guó)內(nèi)外基本上都處于同一起跑線。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，效率提升相對(duì)較好，適用于緯度低于30°的亞熱帶及熱帶地區(qū)。目前僅有中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司的泰國(guó)光伏EPC 項(xiàng)目采用了類(lèi)似的研究成果，國(guó)內(nèi)其他單位暫無(wú)相關(guān)研究。

上述光伏EPC 項(xiàng)目雖然采用的是與本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)類(lèi)似的產(chǎn)品，但其存在以下缺點(diǎn)：1)該項(xiàng)目水平單軸跟蹤支架多采用跨度達(dá)12 m 的大跨度結(jié)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)撓度較大，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在位移突變的問(wèn)題；2)排水控制系統(tǒng)采用時(shí)間控制，造成太陽(yáng)方位角和支架跟蹤角度無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系；3)排水管道較小，易造成排水堵塞，使排水不能按時(shí)完成，導(dǎo)致跟蹤精度較差；4)無(wú)灌溉和組件自動(dòng)清洗功能。

4.2 前景預(yù)測(cè)

農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)作為新型產(chǎn)品，還有較大的提升空間；而且其可以基于農(nóng)業(yè)和光伏發(fā)電的相關(guān)鼓勵(lì)政策，較好的實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能的結(jié)合，提高綜合效益。

1)該系統(tǒng)利用水泵向重力水箱供水作為平衡動(dòng)力，省去了光伏追蹤支架的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件，節(jié)約了動(dòng)力成本。該系統(tǒng)中的光伏跟蹤支架的跟蹤精度為±3°，比常見(jiàn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的水平單軸跟蹤支架±5°的跟蹤精度更高，追日更準(zhǔn)確，最終提升了發(fā)電量。同時(shí)，通過(guò)獨(dú)特的中間立柱設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)中的光伏跟蹤支架可比常規(guī)光伏跟蹤支架多安裝2～4 塊光伏組件，降低了單位成本。

2)供水系統(tǒng)可用于清洗光伏組件，保證光伏組件不受灰塵和其他異物的影響，長(zhǎng)期保持高效的發(fā)電狀態(tài)。

3)該系統(tǒng)除了可以滿足光伏跟蹤支架追日，還可以用于灌溉光伏組件附近的農(nóng)田，比單獨(dú)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)多增加了發(fā)電收入，比單獨(dú)的光伏發(fā)電系統(tǒng)增加了灌溉收益，同時(shí)也使采用該系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)土地具備了雙重用途。

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的不斷創(chuàng)新和改革發(fā)展，“光伏+農(nóng)業(yè)”將會(huì)是未來(lái)發(fā)展的一種主要趨勢(shì)，而鑒于農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)具備的優(yōu)勢(shì)，其不僅能夠有效解決我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展長(zhǎng)期面臨的水資源有效利用問(wèn)題，還能更好的使光伏發(fā)電系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)合，增加農(nóng)產(chǎn)品附加值，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)收益的基礎(chǔ)上帶來(lái)清潔能源收益，帶動(dòng)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)論

本文介紹了一種農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)引入了新型的制動(dòng)裝置，保證了光伏跟蹤支架的跟蹤精度和可靠性，并將供水管路擴(kuò)展用于清洗光伏組件和農(nóng)田灌溉，實(shí)現(xiàn)了追日、組件清洗、農(nóng)田灌溉3 個(gè)功能合為一體，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和組合優(yōu)勢(shì)；并且在我國(guó)還可以作為農(nóng)田申請(qǐng)用地的開(kāi)發(fā)依據(jù)，比單純光伏發(fā)電用地具有更容易審批的優(yōu)勢(shì)。農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。