風力提水在新疆現代化農牧業發展中潛力的思考與展望

薩肯·賽買提，莎吉達·肉孜

(1.新疆維吾爾自治區英吉沙縣水利局，新疆喀什844500;2.新疆維吾爾自治區水利水電科學研究院，新疆烏魯木齊830052)

當今世界上，環境和能源問題已成為人類面臨的最重要問題之一。在上世紀七十年代，人們普遍認識到礦物燃料資源尤其是石油和天然氣，在自然界終究是有限的。據聯合國能源署2005年報告，按可開采儲量預計，煤炭資源可供人類200 a、天然氣資源可用50 a、石油資源可用30 a。鑒于礦物燃料資源的有限性，人們不得不重新考慮使用那些在自然界不會枯竭的新能源、可再生能源的可行性。就地球來說，可再生能源的資源極其豐富，并具有無窮無盡的再生潛力。科學家預計，21世紀的主要能源將是核能、地熱能、太陽能、風能、海洋能、水電能、生物質能和可燃冰等。新能源、可再生能源具有資源可持續性、清潔性、分布均勻性等特點，必將成為未來社會可持續能源系統的支柱，其中風能是一種最具有活力的無污染可再生能源。合理利用風能不僅對發展農牧業生產有很大作用，而且對保護自然環境，免受其他能源生產所導致的公害，都具有重要意義。

1 風的形成及風能

1.1 風的形成

風是我們非常熟悉的也是很常見的一種自然現象，產生于地球大氣層的對流層中。對流層上部的空氣溫度低、密度大，向下沉降;接近地面的下不空氣溫度較高，不斷上升，于是對流層的空氣就發生上下流動的現象，也就是這種空氣流動現象形成風。

追根溯源，風是太陽能轉化的產物，風來自太陽輻射和地球自轉。由于地球上各地區緯度不同，所接受的太陽輻射強度也不同。在赤道和低緯度地區，由于太陽高度角大，日照時間長，太陽輻射強，則地面和大氣接受的熱量也多，溫度就比較高;在高緯度和地球兩極地區，因為太陽高度角小，日照時間短，地面和大氣接受的熱量也少，溫度較低。這樣就形成了高低緯度之間的氣壓差異。高緯度和低緯度之間的溫度差異形成了南北之間的氣壓梯度，使空氣發生自然水平運動，地球赤道附近的熱空氣上升，并通過大氣層上部流向地球南北兩極，兩極地區的冷空氣流向赤道。但是，在地轉偏向力的作用下，北半球氣流向右偏轉，大氣環流在北半球產生東北風;南半球氣流向右偏轉，產生東南風。

實際上，地面風不僅受上述兩個力的支配，而且在很大程度上受海洋和地形的影響。山隘和海峽能改變氣流運動的方向，還能使風速增大，而丘陵、山地卻產生阻力，使風速減小，獨立的山峰卻因海拔高使風速增大。因此，風向和風速的時空分布較為復雜。

風的大小通常用風速來衡量，風速和風向是風的兩個主要特征。為了區別風的大小人們把風分為13個等級，稱為風力等級，詳見表1。

表1 風力等級一覽表

1.2 風能

1.2.1 風能的概念

風能是地球表面大量空氣流動所產生的動能。與水能一樣，風能是地球上的一種很古老的自然資源;是一種最有活力、無污染、取之不盡、用之不竭的可再生能源。風能資源決定于風能密度和可利用的風能年累積小時數。

1.2.2 風能的優缺點

風能獲得新生，除了世界各國普遍面臨能源危機和環境污染這兩個嚴重的問題之外，還因為其具有明顯的優越性。

(1)風能取之不盡，用之不竭。風能產生是太陽輻射引起的，大約2%的太陽能可以轉化為風能。只要有太陽，就有風能，全世界目前已被開發的風能僅僅是很小一部分。

(2)風能是清潔的，無污染的能源。空氣不僅對人體無害，而且人和一切生物都離不開它。風能不污染環境，在被利用過程中，對環境沒有任何污染物排放。

(3)風能是最經濟的，不需要花錢購買的能源。風能來自大氣空間，沒有勘探、采掘、加工和運輸問題，不需要投入資金購買。

盡管風能具有以上明顯有點，其隨時間變化和隨高度變化。具有不經常性和不定向性等不可確定的因素是風能不可忽視的缺點。

1.2.3 我國風能資源的的分布情況

根據2006年相關資料可知，(按發電量換算)全世界的風能總量約72萬億 KW;我國可開發量約為7億 KW～12億KW，其中陸地約為6億 KW～10億KW，海上約為1億 KW～2億KW。目前主要開發的是陸地風能，海上風能具備很大的發展潛力。在內陸地區從東北、內蒙古到甘肅河西走廊及新疆一帶的廣闊地區，風能資源也很好;華北和青藏高原有些地方也有利于風能。我國風能資源的分布情況見圖1和表2。

圖1 我國風能分布圖

表2 我國風能資源比較豐富的省區一覽表

由于我國風能豐富的地區主要分布在東南沿海和島嶼以及西北、華北和東北的草原和戈壁。新疆風能資源分布情況為貧乏區域較小，主要屬于較豐富區和可利用區，而且風力資源僅次于內蒙古。

2 新疆氣候特性及風能利用現狀

2.1 新疆氣候特性

新疆維吾爾自治區位于歐亞大陸腹地，遠離海岸，是我國面積最大、陸地邊境線最長、界鄰國家最多的省區。氣候屬于典型的大陸性干旱及半干旱氣候，氣候特點為:干燥、冬冷夏熱、氣溫日較差大、日光照充強足、冬夏冷暖差別極大，少雨、蒸發能力大，春天多風、浮塵天氣;氣溫日變化劇烈，冬夏長，春秋短。

新疆是多風地區，風次多，延續時間長，風季一般為3～6月及8～9月，風向主要為西北和東北風，風力一般5～9級，最大10～12級。

2.2 新疆風能利用現狀

目前對于風能的利用，世界上有兩種方式:一種是采用機械裝置把風能直接轉化為機械能，直接為人們所用，例如，利用風力提水進行農田灌溉、水產養殖、土壤改良制鹽、切草制飼、糧谷研磨、磨谷榨油等;另一種是利用風力發電裝置將風能轉化為機械能，再把機械能轉變為電能，也就是風力發電。

新疆的風能開發、建設始于上世紀80年代初期，當時引進了20 KW、30 KW、55 KW和100 KW各一臺風機，1988年100 KW風電并網試驗運行。1989年利用丹麥政府贈款引進了13臺150 KW風機，建立達坂城風電一場，總裝機容量達到2050 KW，單機容量和總容量在當時均居全國第一。1992年到1995年，相繼引進了300和500 KW風機共33臺，建成了國內第一座萬KW級的達板城風力發電廠。1997年利用兩項丹麥政府貸款和國內“雙加”風電項目，于當年完成了全部78臺600 KW風電機組的安裝。達坂城風區因其開發較早，目前風區風電總裝機容量已達12.55萬 KW，占到了新疆主電網總裝機容量495.75萬KW的2.53%。

新疆風能資源總儲量9.57億 KW，技術開發量2.34億KW，年平均風功率密度≥150 W/m2的面積12.6萬 km2。具有開發價值的九大風區為額爾齊斯河河谷風區、準噶爾盆地西部風區、阿拉山口風區、烏魯木齊達板城谷地風區、吐魯番西部風區、哈密北部及南部戈壁風區、百里風區、塔城老風口和羅布泊風區。

目前，風力發電是新疆風能利用的最主要的方式，而風力提水灌溉等另一種重要的利用方式在新疆幾乎是一個空白領域。

3 風力提水

3.1 風力提水技術

風力提水是指利用風力來直接驅動提水機提水。風力提水自古至今一致得到較普遍的應用，至20世紀50年代以后，為解決農牧區的生活、生產和牲畜用水以及為了節約能源，風力提水機有了很大的發展。

目前世界上約有100多萬臺風力提水機在運轉。比如，澳大利亞的許多牧場都設有這種風力提水機，主要用于牧區灌溉和人蓄飲水。此外，在很多風力資源豐富的國家，科學家們還利用各種風力機械裝置來鍘草、磨面和加工飼料等。

現代風力提水機根據用途可分為三類:

(1)高揚程小流量風力提水機組。由地速多葉片立軸風力機與活塞泵相結合提取深井地下水，主要用于農牧區人蓄提供飲用水。風輪直徑一般在6m以下，揚程20～100m，流量0.5～5.0m3/h。

(2)中揚程大流量風力提水機組。由高速槳葉匹配容積式水泵組成提取淺層地下水，主要用于農牧區提供灌溉、水產養殖用水。風輪直徑一般在5～8m，揚程10～20m，流量15～20m3/h。

(3)低揚程大流量風力提機水組。由低速或中速風力機與鏈式水車或螺旋泵相匹配，提取河、湖、海等明流或開敞地表水，主要用于農田排灌、水產養殖或鹽場制鹽，土壤改良。風輪直徑一般在5～7m，揚程0.3～3.0m，流量50～100m3/h。

圖2 風力提水示意圖

上述風力提水機組中由于中揚程大流量的風力提機組類一般為現代流線型槳葉，效果較高性能先進，實用性強，但其造價高于傳統式風力機的原因。經過幾十年的發展，我國已基本形成北方型高揚程小流量風力提水機組和南方型低揚程大流量的風力提機組。

3.2 我國風力提水概況

我國是世界上開展風能利用最早的國家之一，應用風車提水在中國已有一千多年的歷史。從13世紀到19世紀中，傳統式斜桿風車在我國東南沿海地區得到了廣泛的應用。

我國風力提水科研過程經歷了以下幾個階段:

(1)我國自20世紀50年代中期開始研制風力提水機組，但多為改進型提水風車，如FCG－7、FCG－8等。這些風車的性能較傳統風車雖有大的提高，但整體技術不高。60年代中期，成功地研制出幾種現代式的風力提水機組(如FWG－6型高速風力提水機、FDG－6型風力提水機等)并投入了小批量生產。當時有的機組累計生產量達500余臺，這些風力提水機的性能指標在當時是屬于比較先進的。

(2)從20世紀70年代中期到80年代中期，在國家科委等有關部門的支持下，我國科技人員在研究國內外樣機和技術資料的基礎上，陸續研制出十幾種現代式風力提水機組。其中具有現代表性的是中國農機院1985年底組織攻關完成(呼和浩特牧機所設計)的FDG－5型低揚程大流量的風力提機和FDG－4型高揚程小流量的風力提機。

(3)從20世紀80年代中期到目前為止，全國約有10多種型號的風力提水機組，風輪直徑2～7m;額定功率1～4 KW;揚程范圍0.5～100.0m。我國已基本形成北方型高揚程小流量風力提水機組和南方型低揚程大流量的風力提機組兩大系列，約有幾十種產品型號。這些機組的產品質量基本可靠，有些機組的水平達到或處于國際先進地位，部分機組甚至出口國外。

我國常用的風力提水機組及其性能見表3。

表3 我國常用的風力提水機組及其性能一覽表

目前，在我國工、農、牧業等各項生產活動中運行的各類風力提水機約有3000余臺，主要在東南沿海用于養殖、制鹽，在江蘇、寧夏、河北和吉林等地用于農田灌排，在三北地區用于提供人蓄飲用水與人工草場灌溉。

在傳統的風力直接提水技術基礎上，近幾年人們開發出風力發電提水這種新的風力提水方式，它有兩種基本形式:一種為風力發電～儲能～電泵提水;另一種是風力發電機在有效風速范圍內發電，由控制器來調節電泵的工作狀態，直接驅動電泵提水。后者較前者省去了蓄電池和逆變系統，減少了中間環節，降低了提水系統的費用，可謂是真正意義上的風力發電提水。

4 風力提水在新疆農牧業發展中的意義及潛力

4.1 風力提水意義

風力提水作為風能利用的主要方式之一，在解決農牧業灌排、人畜飲水以及水產養殖、土壤改良、制鹽等方面都不失為一種簡單、可靠、有效的實用技術。在新疆開發和應用較豐富的風力資源來提水技術，對于節省能源、解決廣大農牧區的動力短缺、改善生態環境都有重要的現實意義。

(1)農牧業灌溉方面:新疆雖大，但有效綠洲面積偏少、人口分散、農村人均經濟收入偏低、有些農村地區難通電網。地表徑流具有季節不均勻和不可確定特性;而地下水年內基本不受季節變化的影響，其流量穩定、水質良好、水溫恒常，可滿足農牧業區中小型農、草場作物灌溉要求。利用風力合理提取深井水，不僅可節能、而且環保又經濟、有利于改善當地農牧民生產條件。

(2)農牧區人畜飲水及水產養殖方面:新疆農牧區及牧民定居點已被風能較豐富或可利用區域覆蓋。在農牧居民點合理開發風力提水，一方面將風能直接轉換為提水動能，近距離提水;另一方面，在一定程度上可改善農牧民電費開支負擔和靠電局限性，使新疆農牧民輕松進入新世紀綠色能源社會足以新農村建設道路上。

(3)排減土壤改良方面:新疆中低產農田中澇洼地、鹽堿地占據比例較大。目前這些土地改良措施主要是通過各類排水明渠排水和機電排水，其土石方工程量大，施工不方便、造價高。利用風力排水，不僅能取得較好的經濟效益，還可以解決機電排水不均勻性問題。

(4)旅游發展方面:按照《中國旅游資源普查規范》的資源分類，在全國68中基本類型中新疆至少擁有56中，居全國首位，旅游資源很豐富。如果，將該地區原有的旅游市場與農牧區風力提水應用融合在一起創造出新的風力景觀，效果會更好，會對當地旅游業發展帶來全國范圍內獨一無二的創新性活力。

4.2 風力提水潛力

風力提水在農牧業區灌溉和人蓄飲水方面的利用并有效推廣在新疆的現代化社會主義新農村建設和實現其跨越式發展也具有巨大的發展潛力。

圖3 我國全年風速大于3m/s的小時數分布圖

(1)由我國山東省長清縣萬德鎮長城村13座風力提水機和吉林省某綠化公司17臺四種風力提水機實用經驗來看，風力提水設施啟動風速2.2～3m/s，工作風速為3～15m/s，只需要3及風就能使用，揚程一般在20m左右，最大揚程可達30～60m。以風速5m/s計算，每小時出水量在7m3/s左右。經過一年灌溉80公頃草場，年初寸草不生的鹽堿地植被覆蓋率已達85%，產草20萬 kg。按0.75/kg元計算，除掉各種費用支出，80公頃草場純利潤近1萬元。根據圖4可知，除了塔克拉瑪干沙漠中心部位以外，新疆全年風速大于3m/s的小時數大于1000 h，北疆大部分地區在4000～5000 h，平均值為2500～3500 h。則新疆大部分區域風速可滿足風力提水設施啟動風速和正常工作風速。

(2)我國風力提水科研過程，從上世紀50年代至今已有60多年歷史，從小批量生產發展成現在的全世界領先水平批量生產。我國風力提水機組均為通用定型產品，在全國范圍內配件易購，維護修理及更換零件簡單容易。新機組安裝施工簡單，運行管理方便。

(3)目前我國風力提水技術還處在推廣示范階段，在新疆幾乎屬于空白領域。隨著技術的進一步成熟和完善，預計在將來風力提水技術在新疆將有很大的技術發展及經濟市場潛力。可通過疆內外和國內外科技合作來研制、研發并實現新型風力提水科學技術。

(4)風力提水機組一次性投資少、工效高、經濟耐用。具有良好的經濟效益和生態效益。如果7000畝耕地，一畝地一年按澆4次水計算，每次電費25元，整片灌區每年可節省電費就達70萬元。建設一座風力提水機投資不足5000元，而每年的維修費很低，因而環保、節能、省時、低耗。

(5)風力提水可在個體承包的中小型農場，代替農業節水灌溉的水源供水動力系統;在偏遠農村居民區和牧區牧民定居點，與風力發電結成一體，解決農牧民人蓄安全飲水問題。

5 結語

無論是石油、天然氣、煤炭，還是有色金屬、木材甚至水資源等自然資源數量均為有限，并在開發過程中均對周圍的環境帶來不同程度的污染危害。等到將來，全世界范圍內石油、天然氣、煤炭、木材等可燃燒資源慢慢地將會被地熱能、太陽能、風能、海洋能、水能、生物質能和可燃冰等可再生能源代替。風能在新疆作為一項可再生能源，不再是只能發電，風力提水將會是新疆農牧區風能利用的另一個巨大領域。

總之，未來新疆有效發展風力提水，在新疆社會主義新農村建設中不但會對農牧區生產生活帶來極大方便，并節省很大一筆資金，對農牧業區自然環境保護和節省可燃燒自然資源，使更快進入跨越式發展道路上。

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