牧區太陽能提水經濟效益的研究

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太陽能與內燃機提水機具的經濟效益進行估算。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約81.43萬元，是內燃機組總費用的80.94%；年均節余3.26萬元，是內燃機組年度使用費的92.61%。經濟效益的分析比較為太陽能提水在牧區的推廣提供依據，對改善牧區供水機具和保護草原生態環境具有重要意義。

關鍵詞 太陽能提水；牧場供水；經濟效益；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

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

太陽能提水作為新能源的一種提水形式，已經得到普遍的利用，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的研究已有很多成果，但對牧場供水太陽能提水經濟效益的研究仍處于空白。研究針對現狀提水機具和太陽能提水的經濟效益和方便程度，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與原有的內燃機動力提水系統，進行經濟效益比較。

研究顯示，太陽能提水比現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。該研究對提高牧區生活水平，節約能源，保護草原生態環境具有重要作用，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。試驗區位于錫林郭勒盟蘇尼特右旗賽罕塔拉鎮西13 km處。

1.1 概況 蘇尼特右旗是一個以畜牧業為主的邊境旗，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育的典型地區。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 用水現狀 試驗對現狀試驗區周圍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。根據實際調查，試驗區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。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、抽水次數及抽水時間。對照井保持原樣，利用現狀內燃機具提水；安裝水表，記錄出水量、抽水次數、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《內蒙古行業用水標準》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 經濟費用分析

4.1 一次性投資 現狀試驗區牧戶每戶配備雅馬哈2 kW EF2600汽油內燃發電機組1臺，2寸便攜式自吸小型水泵1臺，根據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，是發電機組的3.13倍。

4.2 使用費用 試驗結果顯示，現狀試驗區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，以當地油價和考慮運輸費按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生。據國內經驗，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，節約成本。

4.4 經濟效益分析 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，對草原環境污染嚴重。而太陽能提水節約能源，同時不存在使用費用和環境問題，經濟效益和環境效益明顯。

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%，經濟效益顯著。

結果顯示，太陽能提水設備具有較高經濟效益，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狀內燃機組8年期節約23.39萬元，年均2.92萬元；25年期節約81.43萬元，年均3.26萬元（表3）。

5 結論

研究針對牧區供電困難，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供水問題，并對太陽能與現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供水實用性較強的機組，在25年的使用期中可節約81.43萬元，是內燃機組總費用的80.94%，年均節余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，減少牧區燃料的使用，每年可節約燃料4 662 L，對牧區生態環境具有重要意義。

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責任編輯 徐寧 責任校對 況玲玲