摘   要：本文簡要介紹了光伏水利的基本概念和產業(yè)技術，闡述了其對解決人類社會發(fā)展問題的重要意義，探討了在我國西部大開發(fā)和一帶一路建設中的應用，分析了可預期的綜合效益，并對潛在市場規(guī)模進行了展望。
 

關鍵詞：太陽能；光伏水利；光伏揚水系統(tǒng); 光伏節(jié)水；農林牧業(yè)生產；荒漠治理

 

 

糧食和生態(tài)是人類社會生存與發(fā)展的重大問題。世界人口持續(xù)增加，從1990年的53億，到2011年突破70億，2025年將達到80億，地球的資源不堪重負，能源、糧食和水資源危機日趨嚴重，加上人類活動造成的環(huán)境污染、土地荒漠化、耕地減少、牧場退化等，迫切需要重新審視人類社會發(fā)展的模式，采取行之有效的可持續(xù)發(fā)展策略和措施。近年來，我國在相關領域不斷加大投入，但是由于各個方面和環(huán)節(jié)缺乏有效的結合與協調，未能取得預期的效果。多年的實踐證明，光伏水利產業(yè)技術，不僅能夠促進光伏行業(yè)的健康發(fā)展、保證節(jié)能減排目標的實現，而且在農業(yè)基礎設施建設、糧草肉增產、生態(tài)環(huán)境改善、荒漠治理以及邊防強化等方面，能夠取得良好的綜合效益，具有巨大的應用市場。

 

 

光伏水利，就是利用光伏揚水系統(tǒng)，為邊遠無電或缺電地區(qū)的農林灌溉、荒漠治理、草原畜牧、生活用水、苦咸水淡化等提供動力電源和系統(tǒng)解決方案。

 

光伏揚水系統(tǒng)，主要由光伏陣列、光伏揚水逆變器、水泵構成，與灌溉設備結合又組合成光伏節(jié)水灌溉系統(tǒng)。光伏陣列接受太陽輻射能，并將其轉化為電能；逆變器將直流電能轉換為驅動水泵的交流電能，并實現最大功率點跟蹤；水泵則將地下水或河水從低位提至高位，并向灌溉設備加壓。基于蓄電不如蓄水的設計理念，系統(tǒng)中通常不含儲能裝置，既降低了建設和運行成本，也提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，為了保證水資源的高效利用，與微噴灌、滴灌和滲灌等節(jié)水灌溉技術相結合。

 

光伏水利產業(yè)技術以太陽能為動力源，不僅解決了邊遠地區(qū)架設電網所存在的距離遠、工期長、投入大和利用效率低等問題，而且無需運行電費，長期運行的總投入也遠遠低于柴油發(fā)電機，在國家政策的扶持下，用戶樂于接受。光伏揚水系統(tǒng)就地取水用水，易于規(guī)劃和建設，而且免去了輸水渠道建設，提高了水利用系數。光伏水利綜合解決方案具有系統(tǒng)集成化、運行智能化和操作簡單化的特點，保證了在缺乏專業(yè)技術人員的邊遠地區(qū)系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全與高效運行。

 

光伏節(jié)水，經歷了由設備到系統(tǒng)的發(fā)展歷程。其中，光伏組件、水泵和灌溉設備為通用產品，而具有最大功率點跟蹤功能和變頻逆變的光伏揚水逆變器為專用產品，是系統(tǒng)的核心，額定功率從數百瓦至近百千瓦，產品企業(yè)標準已經被業(yè)界采納并形成行業(yè)通用規(guī)范。系統(tǒng)集成的核心是實現優(yōu)化匹配，即根據揚程和日需水量選定最佳類型和規(guī)格的水泵，根據系統(tǒng)的實際功耗和當地日照條件選定光伏陣列的容量，從而組成高性價比的系統(tǒng)。

 

光伏水利的概念和技術也經歷了被逐漸認知和認可的過程。上世紀九十年代，由于系統(tǒng)成本很高，只有少量的小功率光伏提水系統(tǒng)，主要解決邊遠無電地區(qū)的生活用水問題；2001年9月，筆者設計并參與建設了新疆沙漠公路防護林太陽能滴灌系統(tǒng)，光伏陣列的峰值功率為14kW，開啟了大功率光伏提水系統(tǒng)在農林灌溉和荒漠治理中的應用。系統(tǒng)產品經過十多年在全球100多個國家和地區(qū)的示范應用，推動了光伏水利在全球的快速發(fā)展，基于對全球生態(tài)環(huán)境恢復的創(chuàng)新貢獻，2014年聯合國全球人居環(huán)境論壇授予天源新能源綠色科技最佳范例獎。

 

國家已開始關注光伏水利技術及其應用。青海、新疆、甘肅、寧夏、內蒙古等地方政府和水利部門先后開展光伏水利應用的可行性研究，建立示范系統(tǒng)，確認運行特性與效果；2013年9月，水利部首次舉辦了光伏提水技術研討會，探討國家在政策和規(guī)劃中如何給予支持；目前，相關產品已進入國家農機產品目錄，國家水利行業(yè)標準《牧區(qū)草地節(jié)水灌溉工程技術規(guī)范》（征求意見稿）也將光伏提水工程設計作為一項重要內容。

 

 

光伏水利的推廣應用尤其符合我國國情。我國是水資源較貧乏的國家，水資源總量居世界第6位，但人均水資源量僅為世界人均水平的1/4，居世界第88位；旱地面積為332萬平方公里，其中荒漠化面積為262萬平方公里，人均耕地面積僅有1.2畝，受荒漠化影響的人口高達4億，且集中在西北邊遠地區(qū)，迫切需要解決生活和生產、生態(tài)環(huán)境改善和荒漠治理的供水問題。這些地區(qū)地表嚴重缺水，但地下水資源較為豐富，新疆、青海、甘肅、陜西、寧夏和內蒙古的地下水資源總量超過1千億立方米，即使在水資源管理“三條紅線”控制指標范圍內，仍有相當大的開發(fā)利用空間。作一個保守的估算，如果僅對我國1%的旱地面積（約5千萬畝）采用光伏揚水系統(tǒng)，實現每年300m3/畝的灌溉，則開發(fā)利用的水資源總量約為150億立方米，市場需求約為1250億元。

 

如果分10年進行建設，則每年的投入為125億元。根據國家財政部頒布的《2014年全國一般公共預算支出決算表》，在農業(yè)、林業(yè)和水利上的支出分別為5816.6、1348.8和3478.7億元；在荒漠治理、退耕還林和退牧還草上的支出分別為40.6、290.3和17.0億元；而在節(jié)能和可再生能源上的支出分別為580.7和146.6億元。只需將上述支出的1.06%作為光伏水利建設專項資金，就能保障項目的順利推進。

 

同時，每年對應的光伏組件需求量高達45GW，為產量占全球總產量60%以上、主要依賴出口、因歐美“雙反”而產能嚴重過剩的中國光伏行業(yè)，開辟了大規(guī)模、可持續(xù)的新市場。如果對全球1%的旱地推動光伏水利產業(yè)發(fā)展，光伏組件的總需求量為6500GW，遠遠大于光伏并網發(fā)電的需求。

 

國內外多個地區(qū)的光伏水利示范實驗結果表明：防護林生長良好，生態(tài)環(huán)境得到明顯改善；典型天然草地生產能力可提高10~30倍，荒漠天然草地生產能力可提高20~40倍，大大提高了草地載畜量和牧民收入；荒漠治理的植被成活率大幅提高，一年變綠，四年成田，結合苜蓿草、枸杞、甘草、肉蓯蓉等的種植，可獲得可觀的經濟效益。

 

 

光伏水利不僅為農林牧業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境改善和荒漠治理等提供了綜合性解決方案，對促進我國光伏行業(yè)的健康發(fā)展也具有重要意義。但是，這是一個新領域，需要各級部門的關注和支持，需要參與企業(yè)的敬業(yè)和呵護，真正為人類社會的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。

 

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