劉 紅，葉碎高

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 太陽能提水灌溉系統(tǒng)案例概況

試驗灌區(qū)位于杭州市蕭山區(qū)浙江省灌溉試驗中心站江東基地內，面積8.00 hm2（120畝），其中水稻試驗區(qū)3.73 hm2（56畝），果木、蔬菜試驗區(qū)4.27 hm2（64畝）?？紤]復種指數(shù)，全年播種面積13.60 hm2（204畝）。水稻采用低壓管道輸水灌溉，果蔬采用滴灌、噴微灌等方法灌溉。為了提高灌溉系統(tǒng)利用效率，將灌區(qū)分為15個輪灌區(qū)，采用輪灌制，灌水壓力h = 13.86 m，灌溉流量15 m3/h。試驗基地原先已建有市電提水灌溉泵站，2017年因基地基礎設施改造升級，灌溉取水口變遷，結合老泵站改造，經(jīng)分析比較，決定改建為太陽能灌溉提水泵站。以基地北側河網(wǎng)為供水水源，試驗科研樓頂水箱為蓄水調節(jié)池[1]。

本文以試驗灌區(qū)提水灌溉系統(tǒng)為例，分析電力、柴油、太陽能等不同動力類型提水灌溉系統(tǒng)的經(jīng)濟效益、節(jié)能效益和減排效益，研究太陽能提水灌溉系統(tǒng)的比較優(yōu)勢。

2 提水灌溉系統(tǒng)效益分析

2.1 經(jīng)濟效益分析

不論采用哪種動力抽水，都需要完全滿足試驗灌區(qū)的用水要求。試驗灌區(qū)的種植結構、種植技術以及產(chǎn)量、產(chǎn)值等，不因抽水動力類型調整而變化。因此，只要分析比較試驗灌區(qū)的供水成本，就能分析比較灌溉系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，即成本低者效益好。

為了分析比較灌溉系統(tǒng)成本，需要全面考慮灌溉系統(tǒng)全壽命周期的建設成本、運行維護成本和燃料動力成本，即全壽命周期成本?？梢圆捎脡勖芷诔杀驹u價法，包括壽命周期成本現(xiàn)值法CPV（Cost Present Value）和壽命周期費用年值法AV（Annual Value）進行計算分析[2]。

式中：CPV為壽命周期成本現(xiàn)值，萬元；F為歷次投資金額，包括初始投資和重置投資，萬元；P為歷次投資累計現(xiàn)值，萬元；A為年運行維護費與燃料動力費之和，萬元；i為資金利率，本案例以8%計；n為資金支付時間，以距離初始投資時間的年數(shù)計；(P/F，i，n)=(1+i)-n為折現(xiàn)因子；(P/A，i，n)=((1+i)n-1)/i(1+i)n為等額系列現(xiàn)值因子。

式中：AV為壽命周期內的平均年化成本，萬元；(A/P，i，n)為資金回收因子，與等額系列現(xiàn)值因子互為倒數(shù)。

壽命周期與土地流轉周期一致，按20 a計算，提前報廢的設備按原值重置，壽命周期結束，即20 a后，尚未到期的設備不計殘值。根據(jù)設備價格及預期使用壽命（見表1），以及年度運行維護費用（見表2）[3]，按照式（1）、（2）分別計算光、電、油泵站全壽命周期的費用現(xiàn)值和平均年化費用。壽命周期費用現(xiàn)值，太陽能泵站CPV光=13.06萬元，市電泵站CPV電=18.26萬元，柴油泵站CPV油=20.72萬元。

平均年化費用，太陽能泵站AV光=1.33萬元/a，市電泵站AV電=1.86萬元/a，柴油泵站AV油=2.11萬元/a。

市電泵站、柴油泵站的費用分別比太陽能泵站高39.85%、58.65%，從全壽命周期核算，太陽能泵站費用最省，市電泵站次之，柴油泵站費用最高。年化費用對比見圖1。

表1 泵站建設投資分析表

表2 泵站年運行維護成本表 萬元/ a

圖1 不同泵站年化費用對比圖

2.2 節(jié)能效益分析

2017年杭州市年降水量為1 556.5 mm，與多年平均降水量1 553.8 mm基本持平[4]，屬于典型的平水年，可以作為多年平均灌溉需水量的推算基礎。2017年灌溉季節(jié)從4月至10月，其中不降雨的時間為138 d，考慮光照條件，取工作時間100 d，日工作時間取6 h，則系統(tǒng)年工作時數(shù)約600 h，可提水總量約為12 000 m3[1]。試驗記錄了光伏提水灌溉系統(tǒng)2017年灌溉季節(jié)提水量用于桃樹滴灌的約為1 500 m3，用于葡萄園滴灌的約為1 600 m3，2項合計3 100 m3。2017年光伏提水灌溉系統(tǒng)尚未充分利用，下一階段，除提水灌溉桃園、葡萄園之外，剩余水量可通過地埋管道輸送給水稻試驗區(qū)，以充分發(fā)揮泵站效能。

江東基地當年農(nóng)用電價為0.908元/（kW · h）、農(nóng)用柴油價格為6.100元/ L。柴油機的熱效率按g = 0.3 kg/（kW · h）計算，皮帶傳送效率取80%，分析計算光伏提水灌溉系統(tǒng)節(jié)能效益，結果見表3。2017年試驗期間，太陽能光伏提水灌溉系統(tǒng)實際運行時間155 h，提水3 100 m3，相比采用市電水泵（裝機7.5 kW）提水節(jié)約用電1 163 kW · h，節(jié)約電費1 056元；相比柴油機抽水節(jié)油434 L，節(jié)約開支2 647元。如果太陽能光伏提水系統(tǒng)得到充分利用，相比市電泵站年預計可節(jié)電4 500 kW · h，節(jié)約電費4 086元；相比柴油機提水節(jié)油1 680 L，節(jié)約開支10 248元。

表3 光伏提水灌溉系統(tǒng)節(jié)能效益比較表

2.3 減排效益分析

在以煤電為主導的電力生產(chǎn)、供應體系中，用太陽能等可再生清潔能源替代網(wǎng)電，減排效益是顯而易見的。試驗泵站中，光伏提水灌溉系統(tǒng)節(jié)約的能源，如果按照平均煤電轉換率360 g標準煤 /（kW · h）計算，每年可節(jié)約標準煤約1 620 kg，減排二氧化碳約4 258 kg，二氧化硫約36 kg，氮氧化物約12 kg，煙塵約24 kg[1]。

3 太陽能泵站特點及適用環(huán)境

不論采用哪種類型的能源，抽水系統(tǒng)的核心是水泵和電動機，只要有足夠的能源，就能驅動水泵機組運行，實現(xiàn)提水的功能。從這個角度看，太陽能似乎適用于所有需要抽水灌溉的場合。但與傳統(tǒng)能源相比，太陽能泵站也存在以下不足：

（1）高度依賴太陽光，供電保證率低；

（2）高度依賴太陽能板面積，電力容量有限，且需要占用一定面積的土地；

（3）儲能成本高，調劑能力有限，宜配置蓄水池；

（4）一次性投入高；

（5）運行管理有一定的技術要求。

為此，太陽能并不能替代所有的抽水泵站能源。經(jīng)分析，太陽能抽水系統(tǒng)適用于以下場合：

（1）遠離電網(wǎng)系統(tǒng)的灌區(qū)。距離遠近是相對的概念，要綜合考慮線路里程和電壓級差，主要考慮經(jīng)濟性。如果從市電網(wǎng)絡接引，費用相對較省。如果從高壓電網(wǎng)接引，就算在塔基附近（假定允許接引），也是一個需要單獨立項的“工程項目”，不僅需要專業(yè)機構設計、施工，而且造價不菲?？梢赃@么說，如果得不到政府支持和財政補助，在任何地方建設抽水站，都屬于“遠離電網(wǎng)”，電力引進費用很可能超過泵站本身的造價。

（2）灌溉需水總量不大的灌區(qū)。盡管已經(jīng)有建設規(guī)模抽水泵站的經(jīng)驗，并在非洲推廣使用，但從工程可靠性、經(jīng)濟性、灌溉保證率等各方面考慮，利用太陽能驅動大規(guī)模抽水工程，目前還不是很好的選擇。

（3）經(jīng)濟作物灌區(qū)。適用于單位面積灌溉需水量較小，農(nóng)產(chǎn)品附加值較高，水費在產(chǎn)值中的比重較低，雖然水價較高，用戶能夠承受的灌區(qū)。而對于大田作物，畝均用水量動輒300 ～ 500 m3，而畝均產(chǎn)出有限，農(nóng)戶收不抵支，得不償失，不宜采用太陽能光伏泵站抽水灌溉。

（4）具備建設調節(jié)水池條件的灌區(qū)。農(nóng)作物不需要每天都澆灌，灌溉系統(tǒng)也不需要全天候、晝夜運行。但太陽能抽水系統(tǒng)高度依賴太陽光，而儲能裝置造價又高。如果能夠建設一個蓄水池，用于調節(jié)水量，變儲能為儲水，則可適當縮小泵站規(guī)模，且大大提高灌溉保證率。

4 結論與建議

太陽能光伏提水灌溉系統(tǒng)機動靈活、適應性強，在提水灌溉之余，還可以發(fā)揮太陽能發(fā)電的照明，燈光、音樂驅蟲、驅鳥、驅獸等功效。按全壽命周期計算，太陽能泵站建設、運維總成本明顯低于電力、柴油泵站，是一種技術上可行、經(jīng)濟上合理，且具有節(jié)能減排功效的提水灌溉技術和裝置，值得大力推廣。

研制、生產(chǎn)適應太陽能動力的泵型，向系列化、模塊化、標準化發(fā)展，不斷提高產(chǎn)品質量和系統(tǒng)可靠性、耐久性。簡化安裝、運行、維護過程的技術要求，實現(xiàn)免維護或運行、維護傻瓜化，便于推廣應用。

政策上，建議鼓勵建設光電互補泵站。市電可及的場所，光、電互補，當陽光不充足時，市電提水灌溉，提高灌溉保證率，穩(wěn)定農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、質量；在非灌溉季節(jié)及灌溉季節(jié)的非灌溉期，充分發(fā)揮太陽能光伏組件的作用，光伏發(fā)電系統(tǒng)向電力系統(tǒng)輸電，縮短投資回收期，提高投資效益，并為節(jié)能減排做出貢獻。鼓勵金融機構為太陽能光伏泵站提供便利化、貼息貸款支持，減輕用水戶的投資壓力。