鄭州地區光伏水泵系統的應用前景研究

◎梁國珍，石 明，高小梅

（1.鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州市格沃環保開發有限公司，河南 鄭州 450045；3.河南機電職業學院，河南 鄭州 451100）

目前，日益嚴峻的化石能源使用帶來的環境污染問題引起世界各國的關注，促使世界各國在節能減排的同時加強推進能源結構變革，逐步深化可再生能源的工程應用的研究。太陽能綠色、無污染、資源分布廣泛、適宜就地開發利用，已經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轉換方式無法替代的優勢。當前，光伏發電系統在國內主要應用于以下4 個方面[2]：①為無電地區提供電力，例如偏遠村莊供電，利用光伏水泵保障農作物灌溉和人畜飲水需要。②在通信和工業場合應用，如無線通信系統、微波中繼站供電等。③日照豐富地區的大中型光伏發電并網系統。④民用光伏系統，主要是太陽能路燈、觀光農業提水等。毋庸置疑，光伏發電技術已經滲透到國防科技建設、工農業生產、人們日常生活的各個層面，為滿足我國持續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應用的一個重要分支，光伏水泵系統能靜音、無污染地將太陽輻射能轉化為電能，之后輔以電力電子變換技術控制電動機驅動水泵從江河湖泊或深井中提水，其基本結構如圖1所示。與風力提水、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，系統規?？纱?、中、小并舉，具有易安裝、低運營成本、清潔無污染等優點，被認為是目前最有可能滿足無電、缺電區域保障農作物灌溉和人畜飲水的首選方案。

圖1 光伏水泵系統的基本結構圖

光伏水泵系統集光、電、機控制于一體，是光電能量變換、電力電子變換、電機控制、流體機械設計等學科交叉、結合的集成應用，已被許多國家列為技術優先發展對象，并成為新能源技術應用于農業領域的一個重要研究方向。大力發展光伏水泵技術可以有效緩解無電區域的農業灌溉和生活生產供水問題[3]，對減少化石能源消耗、保護生態環境、提高人們生活質量具有巨大的社會效益和經濟效益，具有非常好的應用前景。

2 鄭州地區的太陽能資源條件

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，這為河南省充分利用太陽能能源、減少化石能源消耗、改善能源結構、增強可持續發展能力提供了較好的資源保障。

表1 中國太陽能資源區劃及特征表

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112°54′～114°8′，其中鄭州市主城區（北緯34.7°、東經113.6°）的光照參數如表2所示[4]。

表2 鄭州市主城區的光照參數表

可以看出，不論是夏季還是冬季，鄭州地區太陽能資源較為豐富且比較穩定，冬季太陽能資源利用潛力較大，具有很好的應用前景。根據相關文獻的歷史統計結果表明，鄭州地區年輻照量4 200～5 400 MJ·m-2，年均日照時數為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，占全年總日照時數的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%，而且分布比較穩定。夏季，雖然鄭州地區的太陽總輻射約為拉薩地區的74%、烏魯木齊地區的81%，但其日照時數和日照百分率基本與蘭州持平，且略微大于拉薩。盡管鄭州地區資源一般，冬季太陽總輻射約為拉薩地區的54%、烏魯木齊地區的58%，但其日照時數和日照百分率都高于烏魯木齊市，略低于蘭州地區。此外，與同地帶的武漢市、西安市、合肥市相比，鄭州地區的逐月太陽總輻射比較優越，且全年總輻射的變化比較穩且平緩[5]。

3 結語

鄭州地區太陽能資源較為豐富且比較穩定，具有很好的應用前景，因此在鄭州地區大力推廣、發展光伏水泵系統有助于解決農業生產中的灌溉、噴霧施肥、農產品清洗等問題。在鄭州地區應用推廣光伏水泵技術有望助力農業生產、發展農業經濟、促進農民增收，緩解傳統能源依賴和節能減排，具有重要現實意義。