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

王 進，肖振興，梁 甜

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 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)合的漁光互補電站等，且經(jīng)濟效益與社會效益顯著。

農(nóng)業(yè)灌溉作為保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要方式，是指對農(nóng)業(yè)耕作區(qū)進行的灌溉作業(yè)，是為解決自然降水量不足或水資源分布不均勻的問題而對耕地進行的水分補充，一般可分為傳統(tǒng)的地面灌溉、普通噴灌及微灌等方式。我國是一個水資源貧乏的國家，在世界范圍內(nèi)屬于最貧水國之一，人均占有量僅為美國的1/5；并且我國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)，并分析了其應用可行性和效益性。

1 農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展概況及趨勢

1.1 我國農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展概況

在我國北方地區(qū)，50%以上的土地缺少農(nóng)業(yè)灌溉，造成我國灌溉水有效利用系數(shù)僅為0.53，遠低于發(fā)達國家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，除了北方地區(qū)缺乏農(nóng)業(yè)灌溉基礎(chǔ)設(shè)施外，我國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)灌溉的問題，我國農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了引進吸收、推廣發(fā)展和激烈競爭3 個階段。1)引進吸收階段主要是引進農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)先進的國家的設(shè)備，并在國內(nèi)進行相關(guān)的試驗、消化和研發(fā)，該階段引進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 個階段的基礎(chǔ)上對設(shè)備進行改進，突出節(jié)水功能，并形成了一定規(guī)模的初期市場；3)激烈競爭階段仍然是發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備，與第2 個階段的區(qū)別是供應方的數(shù)量和競爭的激烈程度加大，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使水資源不能得到充分利用，造成水資源的浪費，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)能灌溉主要是通過提高農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備的工作效率和經(jīng)濟性來整體提高灌溉技術(shù)的自動化和電氣化水平。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，將具有廣闊的應用前景。

2 光伏跟蹤支架的發(fā)展概況及趨勢

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跟蹤太陽的裝置，主要通過實時跟蹤太陽運動，使太陽光一直垂直照射光伏組件，增加組件接收到的太陽輻射量，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，當前光伏跟蹤支架的單位成本比2009 年時降低了300%～400%，銷售價格也已降至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)濟效益優(yōu)勢較為明顯[3]。

2.2 光伏跟蹤支架的發(fā)展趨勢及思考

為了進一步降本增效，光伏跟蹤支架的機械部分可以通過產(chǎn)品優(yōu)化來節(jié)省成本，電氣部分則可以通過提升穩(wěn)定性來減少運行維護成本；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現(xiàn)更多的功能處理，從而提高其綜合效益。目前常見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)品進行融合。但若根據(jù)光伏跟蹤支架的產(chǎn)品特點將其與農(nóng)業(yè)中的需求相結(jié)合，在拓寬光伏發(fā)電應用場景的同時，還能實現(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

通過對農(nóng)業(yè)灌溉和光伏跟蹤支架的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行分析，研發(fā)設(shè)計了一種新型產(chǎn)品——農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實際應用過程中通過利用重力水箱的平衡原理來驅(qū)動光伏跟蹤支架跟蹤太陽，既解決了光伏跟蹤支架的追日需求，還完成了組件的自動清洗，同時又解決了農(nóng)業(yè)灌溉問題。

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，光伏跟蹤支架上的光伏組件處于向東傾斜45°的位置，且清洗管路開始自動清洗光伏組件，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，光伏組件開始向西轉(zhuǎn)動，每次轉(zhuǎn)動的角度為15°，通過輸送不同的水量，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，重力水箱的水量達到設(shè)計最大值，然后通過灌溉管路進行灌溉，隨著重力水箱的水通過灌溉管路排出，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)計的農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)具有以下特點：

1)以較低的成本實現(xiàn)了光伏跟蹤支架的追日功能。通過對光伏跟蹤支架的橫梁及立柱結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，引入多項新型專利技術(shù)，精簡了零部件；通過增加中間立柱，使一套支架可以容納更多的光伏組件，降低了單位造價，其成本與電機驅(qū)動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。基于建模計算結(jié)果，該系統(tǒng)利用重力水箱進行角度平衡時的角度偏差低至±3°；該系統(tǒng)的發(fā)電量預計可比采用固定支架的提升21%～35%，該值與采用電機驅(qū)動的水平單軸跟蹤支架提升17%～30%的水平相仿。

3)實現(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+光伏組件自動清洗系統(tǒng)”，從而可充分利用水資源。光伏裝機容量為1 MW 的該系統(tǒng)預計可灌溉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)狀及前景預測

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，對于其的研究國內(nèi)外基本上都處于同一起跑線。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，效率提升相對較好，適用于緯度低于30°的亞熱帶及熱帶地區(qū)。目前僅有中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司的泰國光伏EPC 項目采用了類似的研究成果，國內(nèi)其他單位暫無相關(guān)研究。

上述光伏EPC 項目雖然采用的是與本文設(shè)計的系統(tǒng)類似的產(chǎn)品，但其存在以下缺點：1)該項目水平單軸跟蹤支架多采用跨度達12 m 的大跨度結(jié)構(gòu)，造成結(jié)構(gòu)撓度較大，在轉(zhuǎn)動時存在位移突變的問題；2)排水控制系統(tǒng)采用時間控制，造成太陽方位角和支架跟蹤角度無對應關(guān)系；3)排水管道較小，易造成排水堵塞，使排水不能按時完成，導致跟蹤精度較差；4)無灌溉和組件自動清洗功能。

4.2 前景預測

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)鼓勵政策，較好的實現(xiàn)多項功能的結(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力，省去了光伏追蹤支架的電機驅(qū)動部件，節(jié)約了動力成本。該系統(tǒng)中的光伏跟蹤支架的跟蹤精度為±3°，比常見的電機驅(qū)動的水平單軸跟蹤支架±5°的跟蹤精度更高，追日更準確，最終提升了發(fā)電量。同時，通過獨特的中間立柱設(shè)計，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，比單獨的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)多增加了發(fā)電收入，比單獨的光伏發(fā)電系統(tǒng)增加了灌溉收益，同時也使采用該系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)土地具備了雙重用途。

隨著我國農(nóng)業(yè)的不斷創(chuàng)新和改革發(fā)展，“光伏+農(nóng)業(yè)”將會是未來發(fā)展的一種主要趨勢，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，其不僅能夠有效解決我國農(nóng)業(yè)發(fā)展長期面臨的水資源有效利用問題，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)濟收益的基礎(chǔ)上帶來清潔能源收益，帶動當?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，并將供水管路擴展用于清洗光伏組件和農(nóng)田灌溉，實現(xiàn)了追日、組件清洗、農(nóng)田灌溉3 個功能合為一體，具有明顯的經(jīng)濟效益和組合優(yōu)勢；并且在我國還可以作為農(nóng)田申請用地的開發(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。農(nóng)業(yè)灌溉光伏水跟蹤發(fā)電系統(tǒng)具有良好的應用前景。