光伏水泵在农村干旱地区应用前景

光伏水泵系统从技术上说是一个比较典型的“光能、机、电一体化”系统，它涉及太阳能的采集、变换及电力电子、电机、水机、计算机控制等多个学科的最新技术，并且对节约能源有很大的意义，因此已被许多国家列为优先发展的高新技术和进一步发展的方向。中东、非洲有不少国家更是期望依靠太阳能水泵及省水微灌、现代化农业等新技术在地下水资源比较充裕的干旱地区把家园改造为绿洲。

光伏水泵系统的基本工作原理是：利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能，然后通过控制器驱动电机带动光伏水泵运行。光伏水泵系统可广泛用于无电地区的人畜用水、农业灌溉以及边防、海岛哨所等高度分散点的用水。由于光伏水泵具有无噪声、全自动（日出而作，日落而停）、高可靠、供水量与蒸发量适配性好（“天大旱，它大干”）等优点。联合国国际开发署（UNDP）、世界银行（WB）、亚太经社会（ESCAP）等国际组织都先后充分肯定了它的先进性与合理性。目前在这些国际组织的支持下，全世界已有数万台不同规格的光伏水泵在不同地区和国家运行，特别是在亚、非、拉及中东等发展中国家，已为许多贫困地区的人民带来相当可观的经济效益，加速了这些地区的脱贫步伐。

太阳能光伏发电装置作为光伏水泵系统的主要组成部分，以其无噪音、无污染，并且不会产生任何废弃物，在过去的几十年中得到相当大的重视。目前，世界光伏发电迅猛发展，世界上许多国家从能源供应安全和清洁利用的角度出发，把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展方向。欧盟、日本和美国把2030年以后能源供应安全的重点放在可再生能源，特别是太阳能方面，预计到2030年太阳能发电占世界电力供应10%以上，2050年达到20%以上。日本2006年底总计安装1600MW，该国光伏组件生产占世界50%，世界前10大厂商有4家在日本。如今，无论是日本、德国，还是美国、意大利，光伏发电都实现了并网，数以千计的办公大楼、实验室和居民以及机械设备，在享用着稳定可靠、无污染、无噪音、无任何废料排出的太阳能电力。

我国于1958年开始研究太阳能电池，于1971年首次成功地应用于我国发射的东方红2号卫星上。1973年以后用于地面，如航标灯及铁路信号、高山气象站仪器信号等，功率都较小。随着国家对光伏工业及光伏市场的发展的大力支持，我国太阳能电池已不仅仅用于小功率的电源系统，而更加广泛应用于各个行业，解决目前越来越严重的能源危机。我国太阳能电池生产量远大于使用量，各种形式水泵都是耗能产品，世界上泵产品所消耗的电能约占总发电量20%。要想节约能源，大力推广光伏水泵系统是发展的需要。

太阳能光伏水泵系统是由太阳能提供动力，利用水泵实现提水的装置。光伏水泵系统是典型的“光—电—机—控”一体化系统，涉及太阳能转换，信号采集，电力电子变换，电路设计和系统控制等多个领域。电池负责采集太阳能，并将其转换为直流电能输入系统，提供系统的动力；电池阵列输出的电压和电流大多时候并不能和负载很好的匹配，这时候就需要经过直流变换环节，经过升压（例如Boost电路）或降压（例如Buck电路）以获得所需的电压电流；为了使负载能在阴雨天或晚上继续工作，需要在系统里加入蓄电池，把白天或夏季多余的能量存起来，在晚上或是冬天释放出来，以平衡能量分配或实现无光照工作；光伏水泵系统受外界条件影响极大，系统的运行处于连续变化之中，难以维持在稳定状况，需要采取一定的控制措施，来保证系统的高效、稳定运行，比如：跟踪电池阵列的最大功率点，防止电池的过充与过放，监控整个系统运行状态，并实施一定的电气保护和故障警报。若带交流负载，还需逆变器实现直交流变换。

我国中西部地区（新疆、青海、甘肃和内蒙古等）气候干燥，常年干旱少雨，水资源极度缺乏，导致土地以每年2500km2的速度沙化，生态环境日益恶化。由于灌排保证率低，2/5耕地得不到灌溉。在一些严重干旱地区，甚至连饮用水都没有解决，严重阻碍该地区经济及社会发展。然而，在这些地区的有些区域蕴藏着丰富的地下水。如果能将这些干旱地区地下水资源进行合理利用，必将给那些地区带来巨大的经济效益和社会效益。此外，这些地区远离海洋，云量少，晴天多，太阳能辐射强（部分地区全年太阳能辐射量达到5000~6000MJ/m2），日照时间长（年日照时间达到2500~3500h），所以光伏发电和提水自然就成了解决这些地区供电、供水问题的最佳选择。近年来光伏器件的不断降价、太阳电池的效率不断提高，为推广光伏水泵系统提供了十分优越的条件。光伏水泵的投入可大大提高农、牧业的生产能力，增加农牧业产出，改变干旱地区的农业现状。水利是农业的命脉，有了水，农业可得以发展，农民生活可得到改善，所以从长远看，经济和社会效益十分明显。