鄭州地區(qū)光伏水泵系統(tǒng)的應(yīng)用前景研究

◎梁國珍，石 明，高小梅

（1.鄭州中糧科研設(shè)計院有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州市格沃環(huán)保開發(fā)有限公司，河南 鄭州 450045；3.河南機電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451100）

目前，日益嚴峻的化石能源使用帶來的環(huán)境污染問題引起世界各國的關(guān)注，促使世界各國在節(jié)能減排的同時加強推進能源結(jié)構(gòu)變革，逐步深化可再生能源的工程應(yīng)用的研究。太陽能綠色、無污染、資源分布廣泛、適宜就地開發(fā)利用，已經(jīng)成為世界各國的研究熱點[1]。在太陽能的利用方式中，光伏發(fā)電是以電能作為最終能量形式，能量通用性好，傳輸方便，可存儲，具有光熱利用和光化學(xué)轉(zhuǎn)換方式無法替代的優(yōu)勢。當(dāng)前，光伏發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)主要應(yīng)用于以下4 個方面[2]：①為無電地區(qū)提供電力，例如偏遠村莊供電，利用光伏水泵保障農(nóng)作物灌溉和人畜飲水需要。②在通信和工業(yè)場合應(yīng)用，如無線通信系統(tǒng)、微波中繼站供電等。③日照豐富地區(qū)的大中型光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)。④民用光伏系統(tǒng)，主要是太陽能路燈、觀光農(nóng)業(yè)提水等。毋庸置疑，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)滲透到國防科技建設(shè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€層面，為滿足我國持續(xù)增長的能源需求提供了新的解決方法和途徑。

1 光伏水泵的研究意義

作為太陽能光電開發(fā)應(yīng)用的一個重要分支，光伏水泵系統(tǒng)能靜音、無污染地將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能，之后輔以電力電子變換技術(shù)控制電動機驅(qū)動水泵從江河湖泊或深井中提水，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。與風(fēng)力提水、柴油機提水單元相比，光伏揚水無需燃料消耗和大量的機械傳動，系統(tǒng)規(guī)模可大、中、小并舉，具有易安裝、低運營成本、清潔無污染等優(yōu)點，被認為是目前最有可能滿足無電、缺電區(qū)域保障農(nóng)作物灌溉和人畜飲水的首選方案。

圖1 光伏水泵系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖

光伏水泵系統(tǒng)集光、電、機控制于一體，是光電能量變換、電力電子變換、電機控制、流體機械設(shè)計等學(xué)科交叉、結(jié)合的集成應(yīng)用，已被許多國家列為技術(shù)優(yōu)先發(fā)展對象，并成為新能源技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一個重要研究方向。大力發(fā)展光伏水泵技術(shù)可以有效緩解無電區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉和生活生產(chǎn)供水問題[3]，對減少化石能源消耗、保護生態(tài)環(huán)境、提高人們生活質(zhì)量具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益，具有非常好的應(yīng)用前景。

2 鄭州地區(qū)的太陽能資源條件

我國疆域遼闊，太陽能資源豐富，約2/3 的國土面積年日照在2 200 h 以上，年太陽輻射量超過5 000 MJ·m-2。如表1所示，河南省地處我國中部，屬于太陽能資源良好區(qū)，這為河南省充分利用太陽能能源、減少化石能源消耗、改善能源結(jié)構(gòu)、增強可持續(xù)發(fā)展能力提供了較好的資源保障。

表1 中國太陽能資源區(qū)劃及特征表

鄭州市作為中原城市群的中心城市，地處河南省中部偏北，位于北緯34°14′～35°54′、東經(jīng)112°54′～114°8′，其中鄭州市主城區(qū)（北緯34.7°、東經(jīng)113.6°）的光照參數(shù)如表2所示[4]。

表2 鄭州市主城區(qū)的光照參數(shù)表

可以看出，不論是夏季還是冬季，鄭州地區(qū)太陽能資源較為豐富且比較穩(wěn)定，冬季太陽能資源利用潛力較大，具有很好的應(yīng)用前景。根據(jù)相關(guān)文獻的歷史統(tǒng)計結(jié)果表明，鄭州地區(qū)年輻照量4 200～5 400 MJ·m-2，年均日照時數(shù)為2 451.2 h，小時最大總輻射強度為1 153.66 W·m-2，年總輻射強度為1.63 MW·m-2。鄭州地區(qū)0～100 W·m-2的太陽總輻射強度分布頻率最大，共911 h，占全年總?cè)照諘r數(shù)的21%，超過100 W·m-2的太陽總輻射強度占到年總太陽輻射強度的79%，而且分布比較穩(wěn)定。夏季，雖然鄭州地區(qū)的太陽總輻射約為拉薩地區(qū)的74%、烏魯木齊地區(qū)的81%，但其日照時數(shù)和日照百分率基本與蘭州持平，且略微大于拉薩。盡管鄭州地區(qū)資源一般，冬季太陽總輻射約為拉薩地區(qū)的54%、烏魯木齊地區(qū)的58%，但其日照時數(shù)和日照百分率都高于烏魯木齊市，略低于蘭州地區(qū)。此外，與同地帶的武漢市、西安市、合肥市相比，鄭州地區(qū)的逐月太陽總輻射比較優(yōu)越，且全年總輻射的變化比較穩(wěn)且平緩[5]。

3 結(jié)語

鄭州地區(qū)太陽能資源較為豐富且比較穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用前景，因此在鄭州地區(qū)大力推廣、發(fā)展光伏水泵系統(tǒng)有助于解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的灌溉、噴霧施肥、農(nóng)產(chǎn)品清洗等問題。在鄭州地區(qū)應(yīng)用推廣光伏水泵技術(shù)有望助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、促進農(nóng)民增收，緩解傳統(tǒng)能源依賴和節(jié)能減排，具有重要現(xiàn)實意義。