光伏大規(guī)模應(yīng)用的新領(lǐng)域

　　摘　要：本文簡要介紹了光伏水利的基本概念和產(chǎn)業(yè)技術(shù)，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(shè)中的應(yīng)用，分析了可預(yù)期的綜合效益，并對潛在市場規(guī)模進行了展望。

　　關(guān)鍵詞：太陽能；光伏水利；光伏揚水系統(tǒng); 光伏節(jié)水；農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)；荒漠治理；精準(zhǔn)扶貧

　　一、引言

　　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(dá)到80億，地球的資源不堪重負(fù)，能源、糧食和水資源危機日趨嚴(yán)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(guān)領(lǐng)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(jié)合與協(xié)調(diào)，未能取得預(yù)期的效果。多年的實踐證明，光伏水利產(chǎn)業(yè)技術(shù)，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(biāo)的實現(xiàn)，而且在農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、糧草肉增產(chǎn)、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(yīng)用市場。

　　二、光伏水利的概念和技術(shù)

　　光伏水利，就是利用光伏揚水系統(tǒng)，為邊遠(yuǎn)無電或缺電地區(qū)的農(nóng)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(gòu)成，與灌溉設(shè)備結(jié)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(zhuǎn)化為電能；逆變器將直流電能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動水泵的交流電能，并實現(xiàn)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(shè)備加壓?；谛铍姴蝗缧钏脑O(shè)計理念，系統(tǒng)中通常不含儲能裝置，既降低了建設(shè)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(shù)相結(jié)合。

　　光伏水利產(chǎn)業(yè)技術(shù)以太陽能為動力源，不僅解決了邊遠(yuǎn)地區(qū)架設(shè)電網(wǎng)所存在的距離遠(yuǎn)、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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)，而且免去了輸水渠道建設(shè)，提高了水利用系數(shù)。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(shù)人員的邊遠(yuǎn)地區(qū)系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全與高效運行。

　　光伏節(jié)水，經(jīng)歷了由設(shè)備到系統(tǒng)的發(fā)展歷程。其中，光伏組件、水泵和灌溉設(shè)備為通用產(chǎn)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(chǎn)品，是系統(tǒng)的核心，額定功率從數(shù)百瓦至近百千瓦，產(chǎn)品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)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(xiàn)優(yōu)化匹配，即根據(jù)揚程和日需水量選定最佳類型和規(guī)格的水泵，根據(jù)系統(tǒng)的實際功耗和當(dāng)?shù)厝照諚l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(shù)也經(jīng)歷了被逐漸認(rèn)知和認(rèn)可的過程。上世紀(jì)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(yuǎn)無電地區(qū)的生活用水問題；2001年9月，光伏揚水系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用于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(nóng)林灌溉和荒漠治理中的應(yīng)用。系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)過十多年在全球100多個國家和地區(qū)的示范應(yīng)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(fù)的創(chuàng)新貢獻，2014年聯(lián)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(guān)注光伏水利技術(shù)及其應(yīng)用。青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地方政府和水利部門先后開展光伏水利應(yīng)用的可行性研究，建立示范系統(tǒng)，確認(rèn)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(shù)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(guān)產(chǎn)品已進入國家農(nóng)機產(chǎn)品目錄，國家水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《牧區(qū)草地節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（征求意見稿）也將光伏提水工程設(shè)計作為一項重要內(nèi)容。

　　三、光伏水利的前景和效益

　　光伏水利的推廣應(yīng)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(dá)4億，且集中在西北邊遠(yuǎn)地區(qū)，迫切需要解決生活和生產(chǎn)、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(yán)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(nèi)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(biāo)范圍內(nèi)，仍有相當(dāng)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(xiàn)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(shè)，則每年的投入為125億元。根據(jù)國家財政部頒布的《2014年全國一般公共預(yù)算支出決算表》，在農(nóng)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(shè)專項資金，就能保障項目的順利推進。

　　同時，每年對應(yīng)的光伏組件需求量高達(dá)45GW，為產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量60%以上、主要依賴出口、因歐美“雙反”而產(chǎn)能嚴(yán)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(chǎn)業(yè)發(fā)展，光伏組件的總需求量為6500GW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光伏并網(wǎng)發(fā)電的需求。

　　國內(nèi)外多個地區(qū)的光伏水利示范實驗結(jié)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(chǎn)能力可提高10~30倍，荒漠天然草地生產(chǎn)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(jié)合苜蓿草、枸杞、甘草、肉蓯蓉等的種植，可獲得可觀的經(jīng)濟效益。

　　四、結(jié)語

　　光伏水利不僅為農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境改善、荒漠治理、精準(zhǔn)扶貧和戍邊建設(shè)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(lǐng)域，需要各級部門的關(guān)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。