光伏水泵應(yīng)用系統(tǒng)概述和對(duì)發(fā)展綠色大西北建設(shè)意義
光伏水泵系統(tǒng)的基本原理是利用太陽電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，然后驅(qū)動(dòng)各類電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水泵從深井、江、河、湖、塘等水源提水。它具有無噪聲、全自動(dòng)、高可靠、供水量與蒸發(fā)量適配性好等許多優(yōu)點(diǎn)。計(jì)劃開發(fā)署、世界銀行、亞太經(jīng)社會(huì)等國際組織都先后充分肯定了它的*性與合理性。目前在這些國際組織的支持下，已有幾萬臺(tái)不同規(guī)格的光伏水泵在不同地區(qū)和國家運(yùn)行，特別是在亞、非、拉及中東等發(fā)展中國家，已為許多貧困地區(qū)的人民帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，加速這些地區(qū)的發(fā)展步伐。
光伏水泵與柴油機(jī)水泵相比具有相當(dāng)良好的經(jīng)濟(jì)性。世界銀行在盛產(chǎn)石油的中東地區(qū)出了具有明確結(jié)論的經(jīng)濟(jì)性比較，就其每立方米的水價(jià)而言，光伏水泵的水價(jià)與柴油機(jī)水泵水價(jià)持平的系統(tǒng)功率約在40kw。由于近幾年太陽電池及其它電子控制器件的降價(jià)，兩者水價(jià)持平的功率在75kw 左右。德國西門子公司基于近年在世界各地安裝、試驗(yàn)、銷售各種規(guī)格光伏水泵經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出的結(jié)論是：柴油機(jī)水泵初期投資低是其優(yōu)點(diǎn)，但隨著運(yùn)行年數(shù)的增加，其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用將不斷增加，每立方米水的成本將因此而逐年增長。新疆新能源公司在塔克拉瑪干沙漠進(jìn)行的光伏揚(yáng)水生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)站也得到了相同的結(jié)論。
光伏水泵的初期投資偏大是其缺點(diǎn)，但此后由于它的運(yùn)行費(fèi)用低和少維護(hù)或免維護(hù)等特點(diǎn)，其水的成本上升很緩慢，10 年以后，柴油機(jī)水泵的水成本將是光伏水泵水成本的兩倍還多，兩者的盈虧平衡點(diǎn)約在3年左右。
在邊遠(yuǎn)社區(qū)，采用太陽光伏系統(tǒng)供電提水設(shè)備解決這些無電地區(qū)的人畜飲水和灌溉問題，是的方式之一。一方面，中國西部邊遠(yuǎn)地區(qū)太陽能資源豐富；另一方面，光伏提水設(shè)備無污染、無噪聲，可靠性高，維護(hù)工作量極小。據(jù)中國國家有關(guān)專家試驗(yàn)測評(píng)，在中國光伏提水成本小于0.2 元/t，比柴油機(jī)提水成本低一半左右。而其可靠性遠(yuǎn)超過風(fēng)力提水。隨著太陽電池價(jià)格的下降，光伏提水應(yīng)用前景更加廣闊。光伏水泵系統(tǒng)由４部分組成：:太陽電池組件、功率點(diǎn)跟蹤/控制（逆變）器、電機(jī)和水泵系統(tǒng)。
電機(jī)和水泵
光伏水泵系統(tǒng)的一切措施都是為了能穩(wěn)定、可靠地多出水，或者說最后都要落實(shí)在電機(jī)、水泵的工作上，它們往往構(gòu)成一個(gè)總成件，這個(gè)總成件要求有限度的可靠性及高效率。對(duì)于光伏水泵而言，電機(jī)和水泵的搭配并不象常見的電機(jī)和水泵搭配那樣“隨便”，由于電機(jī)的功率等級(jí)、電壓等級(jí)在很大程度上受到太陽電池組件的電壓等級(jí)和功率等級(jí)的制約，因此對(duì)水泵揚(yáng)程、流量的要求被反映到電機(jī)上時(shí)，往往必須在兼顧太陽電池組件結(jié)構(gòu)的條件下專門進(jìn)行設(shè)計(jì)。出于不同用戶的不同要求，光伏水泵用驅(qū)動(dòng)電機(jī)有：不同電壓等級(jí)的傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)，直流無刷永磁電動(dòng)機(jī)，三相異步電動(dòng)機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)，磁阻電動(dòng)機(jī)等。從目前的使用情況看，以三相異步電動(dòng)機(jī)及直流無刷電動(dòng)機(jī)為最多，大功率系統(tǒng)仍以采用高效三相異步電動(dòng)機(jī)為主。在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到光伏水泵的具體運(yùn)行條件，主要是：變頻運(yùn)行、負(fù)載率早晚變化較大等。在這種情況下要力爭使電動(dòng)機(jī)全日、全年的總平均效率為，它不象普通電動(dòng)機(jī)那樣可以認(rèn)為它是一直處于具有恒定電壓的電源帶動(dòng)下工作的。
光伏水泵系統(tǒng)中水泵的選擇與設(shè)計(jì)也甚有特點(diǎn)。根據(jù)用戶對(duì)流量、揚(yáng)程的不同要求，按經(jīng)濟(jì)性、可靠性大致可按以下原則選擇泵型：要求流量小、揚(yáng)程高的用戶，宜選用容積式水泵；要求流量較大，且揚(yáng)程也較高的用戶，宜選用潛水式電泵；需要流量較大，但揚(yáng)程卻較低的用戶，一般宜采用自吸式水泵電機(jī)和水泵。
光伏水泵系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，可以大規(guī)模應(yīng)用于西北地區(qū)
光伏水泵技術(shù)涉及到的學(xué)科領(lǐng)域比較多，從系統(tǒng)構(gòu)成的角度看，它不同于常規(guī)的“電源+水泵”，而是光、機(jī)、電、電力電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多機(jī)群控技術(shù)等學(xué)科的綜合。我國清華大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、中科院電工所等多所高等學(xué)校和的科研院所在國家科委、國家科委、國家經(jīng)貿(mào)委以及原機(jī)械工業(yè)部的支持下的科技攻關(guān)計(jì)劃，目前已經(jīng)達(dá)到了可以批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的程度，其技術(shù)水平已經(jīng)可和國外發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品水落石出平相媲美。從經(jīng)濟(jì)性的角度看，光伏水泵的運(yùn)行成本已經(jīng)證明大大低于柴油機(jī)水泵，由于近兩年來國內(nèi)外半導(dǎo)體太陽電池的不斷降價(jià)，使光伏水泵相對(duì)于柴油機(jī)水泵的水價(jià)優(yōu)勢更加令人矚目。除此之外，它還具有無人值守、高可靠性、和農(nóng)作物的水蒸發(fā)量適配性好等到物有的優(yōu)點(diǎn)。圖1給出了光伏水泵系統(tǒng)和柴油機(jī)水泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的比較。
建設(shè)綠色大西北具有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境多方面重要意義
適應(yīng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)戰(zhàn)略重點(diǎn)西移
21世紀(jì)中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的戰(zhàn)略重點(diǎn)將移向大西北，不僅礦產(chǎn)等原材料和煤、石油、天然氣等能源生產(chǎn)基地將移向西北地區(qū)，農(nóng)業(yè)、牧業(yè)也將把西北地區(qū)作為儔發(fā)展地區(qū)。
加快西北邊遠(yuǎn)地區(qū)和少數(shù)民族地區(qū)肌貧步伐
西北地區(qū)大部分是我國的邊遠(yuǎn)地區(qū)和少數(shù)民族聚居地區(qū)。由于自然條件差，歷漢族與少數(shù)民族之間的不平等，西北地區(qū)的社會(huì)發(fā)展一直落后于東部地區(qū)，加快發(fā)展西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)，消除貧困，對(duì)于穩(wěn)定和平衡發(fā)展具有重要意義。
西北貧困地區(qū)的首要問題是水的問題。在西北一些嚴(yán)重干旱地區(qū)，至今連飲水問題都還沒有解決，貧困程度可想而知。在可利用草地面積中，有30％因?yàn)槿狈θ诵箫嬎茨芾?。?yīng)用光伏水泵對(duì)于解決這些貧困地區(qū)的飲用水和農(nóng)牧業(yè)用水具有特別重要的意義。
有利于改善西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境
由于人為破壞和不合理開發(fā)活動(dòng)，使本來就很脆弱的生態(tài)環(huán)境日益惡化，水上流失、森林減少、土地沙化、鹽堿化、荒漠化、物種減少等生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴(yán)重。推廣應(yīng)用光伏水泵技術(shù)，合理開發(fā)水、土等資源，建設(shè)綠色大西北，對(duì)于改善西北乃至全國的生態(tài)環(huán)境都有極其重要的意義。
西北地區(qū)水資源可以滿足需要
水資源是指可更新補(bǔ)充可永續(xù)利用的淡水資源，屬于可再生資源。水資源總量包括河川面只的32%,水資源為全國的8%,因此從總體上看西北地區(qū)水資源非常貧乏.二是地下水資源相對(duì)豐富,地下水在水資源總量口的比例高達(dá)45%,因此在西北地區(qū)水資源中,地下水占有十分重要的地位。三是地下水資源大部分分布在山前平原地帶，主要如祁連山、天山、昆侖山山前地帶。對(duì)這些地帶而言，地下水資源是豐富或比較豐富的。而這些地帶正是可耕土地和人口集中分布的地帶，是主要經(jīng)濟(jì)帶。
改善生態(tài)環(huán)境
應(yīng)用光伏水泵和節(jié)水灌溉技術(shù)可以在沙漠中大面積植樹造林，大大提高造休成活率，促進(jìn)三6北防護(hù)林建設(shè)． 擴(kuò)大41m面積和人工草地面積，可以防止土地退化、沙化將為減入顯著.大于20年的費(fèi)用2萬圓,按照20年算的效益更加顯著。