牧区新能源供水模式探究范文

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摘要：为了推广应用牧区新能源供水模式的，针对风能、太阳能及风光互补的牧区供水模式开展研究，利用新能源供水模式与现状供水模式的比较分析，提出了各种供水模式的工作原理及适用条件。研究表明：新能源提水设备降低了牧民体力劳动，提高了用水方便程度，总体减少了用水费用，节约了燃料，具有较好的环境效益和社会效益。

关键词：牧场供水；供水模式；太阳能提水；风光互补提水；风能提水

我国北方牧区常规能源较为短缺，电网覆盖范围有限，很多地方还没有通电，但可再生能源的储量却非常丰富，在我国广大北方牧区有丰富的风能和太阳能资源，利用新能源是解决牧区能源供给不足的有效途径［1］。牧区人畜供水工程是我国水利建设的一项重要内容，牧区供水事业的发展，直接关系到当地的经济发展和人民生活水平的提高。牧区人居分散，电网建设线损高、效益低，目前绝大多数地区处于无电网状态。这些地区非常适合发展风能、太阳能为动力的提水作业。新能源供水已成为解决牧区及偏远地区饮水安全问题的主力军［2］。牧区新能源供水主要指风能、太阳能提水设备在牧场供水中的应用。目前新能源在牧场供水中的利用已得到示范推广［3］，同时针对风能、太阳能提水系统的研究成果也很多。新能源供水受到资源条件、地形、水源等多方面因素影响，形成多种供水模式，各模式的工程组成及适用条件等各不相同。笔者针对风能、太阳能及风光互补等新能源供水模式进行分析研究，提出各种模式的工程组成和适用条件，以期为牧区新能源供水机具的应用和推广提供技术支撑［4］。

1太阳能供水模式

太阳能供水在牧区应用比较广泛，目前主要供水模式有太阳能浅井供水、太阳能深井供水、太阳能蓄电池供水［5］。

1．1太阳能浅井供水模式太阳能浅井供水模式为水源井—太阳能提水—汽车拉水—用水户。

1．1．1工程组成太阳能浅井供水工程由以下部分组成：太阳电池板、支架、基础、控制系统、光伏提水专用水泵、取水建筑物、输水管线、用水终端、安全防护网等，见图1。太阳电池板、支架、基础形成光伏动力系统提供动力能源；控制系统主要为控制器，用于调节控制电流；水源井水泵多为潜水泵；取水建筑物主要为水源井，并根据水源井情况匹配动力系统；输水管线现状主要为出水管，目前牧区实现远距离输水较困难；用水终端主要为牲畜饮水槽或用水户拉水车等；安全防护网主要用于防牲畜破坏。

1．1．2工作原理太阳能光伏系统提供动力，驱动水泵提水，在有效光资源下连续工作，从浅井提水，以“低扬程大流量”运行方式运行，水泵提水后直接输水至用水终端（拉水车或牲畜饮水槽）。1．1．3适用性太阳能浅井供水模式主要适用于小于30m深的水源井，水量充沛，满足小扬程、大流量的出水需求，对于水量不充足的水源井需要增加储水设施。主要缺点是太阳能提水设备在光线不充足时或夜间不能提水，对管理维护要求较高。主要优点是一次性投资较小，经济效益十分显著。1．2太阳能深井供水模式太阳能深井供水模式为水源井—太阳能提水—蓄水池储水—太阳能二次提水—汽车拉水—用水户［6］。

1．2．1工程组成太阳能深井供水合理的泵站配置主要有太阳电池板、支架、基础、控制系统、光伏提水主水泵、取水建筑物、蓄水池、提水辅泵、输水管线、用水终端、安全防护网等［7］。各组成部分主要作用与太阳能浅井供水模式相同，蓄水池一般建在地下，可提高供水保证率，便于供水设施抗冻。

1．2．2工作原理太阳能光伏泵系统提水主泵在有效光资源下连续工作，绝大部分时间是从深井中提水，以“高扬程、小流量”运行方式运行，将提出的水储存在蓄水池中。有用水户开车运水或牲畜饮水时，光伏动力系统脱开提水主泵，切入提水辅泵，辅泵将水从蓄水池装入运水车或饮水槽中，此时光伏提水系统以“低扬程、大流量”运行方式运行，提水结束后，复位到深井提水工况。蓄水池的容水量一般为供水对象的日用水量。

1．2．3适用性太阳能深井供水模式主要适用于大于30m深的水源井，水量满足大扬程、小流量的出水需求，建设有防冻需求的蓄水池。主要缺点是太阳能提水设备在光线不充足时或夜间不能提水，一次性投资较大，管理维护要求较高。主要优点为可以利用牧区部分不易利用的深井。

1．3太阳能蓄电池供水模式太阳能蓄电池供水模式为太阳能聚能—蓄电池储能—水源井水泵提水—汽车拉水—用水户。

1．3．1工程组成太阳能蓄电池供水模式主要由以下部分组成：太阳电池板、支架、基础、控制系统、光伏提水专用水泵、蓄电池、输水管线、用水终端、安全防护网等。各组成部分主要作用与太阳能浅井供水模式相同。

1．3．2工作原理太阳能板利用太阳能充电至蓄电池，利用蓄电池驱动水泵提水。

1．3．3适用性太阳能蓄电池供水模式主要适用于小于60m深的水源井，水量充足，水源井越深需要蓄电池容量越大、造价越高。主要缺点是蓄电池更换频率高，成本大，废旧电池处理对环境影响较大，不可利用较深水源井，管理维护要求较高。主要优点为提水设备在光线不充足时或夜间也能使用，用水方便程度较高。

2风能供水模式

牧区风能供水模式选用风力机功率一般为1～5kW的小型风力机组，日提水量为5～50m3，额定扬程为10～80m，额定流量为1～5m3／h的提水系统。由于风资源存在不稳定性，且变化频率较高，需要储水或储能的设备进行调节，因此风能提水一般需要增设蓄水池或利用蓄电池储能［8］。风能供水在牧区得到了广泛应用，目前主要模式有无防冻功能的风力提水供水模式、有防冻功能的风力提水供水模式、风能蓄电池供水模式。

2．1无防冻功能的风力提水供水模式无防冻功能的风力提水供水模式为水源井—风能提水—高位蓄水池蓄水—汽车拉水—用水户。

2．1．1工程组成风力提水工程一般由以下部分组成：风力机、风力机基础、控制系统、提水装置（泵）、取水建筑物、输水管线、高位蓄水池（水箱）、用水终端、安全防护网。工程组成见图3。风力机和风力机基础是动力系统，提供动力能源；控制系统主要为控制器，用于调节控制电流；提水装置主要是水源井水泵，多为潜水泵；取水建筑物主要为水源井，根据水源井情况匹配动力系统；输水管线主要为出水管；高位蓄水池主要为架设在高处、便于供水的水箱或有地形条件的水池，高位水箱一般不具有防冻功能；用水终端主要为牲畜饮水槽或用水户拉水车等，安全防护网主要用于防牲畜破坏。风力机与水源井由安全围栏进行封闭，构成提水作业区。在围栏外有高位蓄水池、供水栓、拉水车装水台、牲畜饮水槽及输水管线。高位水池的容积一般为供水对象的日用水量。

2．1．2工作原理风力提水机全天候工作，将水输入蓄水池，蓄水池的底端一般高于用水终端约2m（装车供水栓除外），使水依靠势能产生静压而自动供水。

2．1．3适用性无防冻功能的风力提水供水模式适用于冬季不需要供水的水源点，高位蓄水池无防冻功能，冬季需放空以免冻胀损坏。主要缺点是冬季不可使用，管理维护要求较高。主要优点为用水方便程度较高，一次性投入较小。

2．2有防冻功能的风力提水供水模式有防冻功能的风力提水供水模式为水源井—风能主泵提水—地下蓄水池蓄水—利用风能结蓄电池充电辅泵提水—汽车拉水—用水户。

2．2．1工程组成有防冻功能的风力提水供水模式由取水建筑物（水井）、风力提水机、提水主泵、地下防冻蓄水池、供水辅泵、供水辅泵蓄电池、给水栓及输水管线组成。各组成主要作用与无防冻功能的风力提水供水模式相同。风力机、水源井、地下保温蓄水池由安全围栏进行封闭，形成提水作业区。在围栏外有控制室、给水栓、拉水车装水台、牲畜饮水槽和输水管线。蓄水池蓄水量为供水对象日用水量，地下蓄水池为封闭式蓄水，水池的顶部一般高于地面0．2～0．3m（防止车辆碾压），并在顶部覆盖保温材料和吸热材料，以确保冬季的防冻效果。与无防冻设施的模式相比，储水池在地下，适用于在北方寒冷地区进行防冻保温。由于储水池在地下，因此无法实现自动供水，需在系统中增设蓄电池驱动的供水辅泵“大流量、小扬程”工况下运行。

2．2．2工作原理风力机全天候工作，一般其输出功率的80％用于从井中将水提入地下储水池中，约20％用于蓄电池的充电，当需要供水时，蓄电池驱动供水泵给用水设施供水。一般蓄水池深3m，井深20～80m，池深与井深的比值为蓄电池负载与风力机负载的比值。为实现快速装车，辅泵一般采用短时间大功率模式工作。

2．2．3适用性有防冻功能的风力提水供水模式适用于风资源较丰富的供水点，可全年供水，且供水保证率较高。主要缺点为一次性投资较大，管理维护要求较高。主要优点是冬季可以正常使用。

2．3风能蓄电池供水模式风能蓄电池供水模式为风力机组聚能—蓄电池储能—水源井水泵提水—汽车拉水—用水户。

2．3．1工程组成风能蓄电池供水模式与太阳能蓄电池供水模式相似，主要由以下部分组成：风力机组、基础、控制系统、风力提水专用水泵、蓄电池、输水管线、用水终端、安全防护网等。各组成部分主要作用与太阳能蓄电池供水模式相同。

2．3．2工作原理风力机利用风能充电至蓄电池，利用蓄电池驱动水泵提水。

2．3．3适用性风能蓄电池供水模式主要适用于小于60m深的水源井，水量充足，水源井越深蓄电池容量越大、造价越高。主要缺点是蓄电池更换频率高，成本大，废旧电池处理对环境影响较大，不可利用较深水源井，管理维护要求较高。主要优点为提水设备在风能不充足时也能使用，用水方便程度较高。

3风光互补供水模式

风光互补供水模式主要针对牧区80～150m深的水源井、日供水量较大的供水点。风光互补供水模式为水源井（深井）—风光互补提水—蓄水池储水—风光互补二次提水—汽车拉水—用水户［9］。

3．1工程组成风能太阳能互补两级提水模式由风力提水机组、太阳能动力系统、控制器、提水装置、取水建筑物、输配水管网、蓄水池、用水终端、安全防护网等组成。风力机和太阳能动力系统提供动力能源；控制系统主要为控制器，用于调节控制风能、太阳能电流；提水装置主要是水源井水泵，多为潜水泵；取水建筑物主要为水源井，根据水源井情况匹配动力系统；输水管线主要为出水管；蓄水池主要为地下蓄水池，具有防冻功能；用水终端主要为牲畜饮水槽或用水户拉水车等；安全防护网主要用于防牲畜破坏，主要围护风力提水机组、太阳能动力系统、控制器、提水装置、取水建筑物。

3．2工作原理第一级提水通过“小流量、高扬程”潜水泵把水提到蓄水池，第二级提水通过“大流量、小扬程”的水泵把水池中的储水提到牧民的拉水车或饮水槽。白天以太阳能提水系统为主，在有效光资源下连续工作，绝大部分时间是从深井中提水，以“小流量、高扬程”运行方式运行，将提出的水储存在蓄水池中。有用户开车拉水时，通过手动形式将太阳能动力系统切换到二级提水水泵，将水从蓄水池装入运水车中，此时提水系统以“大流量，小扬程”运行方式运行。装水结束后，切换到深井提水工况。17：00以后太阳能动力不起作用，以风能提水系统为主（17：00—次日9：00风速较大），将深井中的水以“高扬程、小流量”运行方式储存到蓄水池。夜间拉水的用户很少，风能提水主要起到将蓄水池蓄满的作用。少数用户拉水时和上述太阳能提水运行方式相同。

3．3适用性风光互补供水模式主要适用于深机电井，一次性投资较大。主要缺点是成本大，管理维护要求较高。主要优点为提水设备在风能或光能不充足时也能使用，用水方便程度和供水保证率较高。

4新能源供水模式的优缺点及适用性

新能源供水模式的选择需因地制宜，综合考虑风资源、光资源、水源、地形等多方面因素。根据不同水源井形式，划分为筒井（大口井）和深井，筒井（大口井）利用浅层水，提水难度较小，宜使用小功率大流量光伏提水、风力提水系统，不需要蓄水池，无需二次提水，也可采用蓄电池储能提水。深井利用深层水，提水难度较大，宜采用大功率小流量的光伏提水、风力提水、风光互补提水系统，需要蓄水池，同时小功率、大流量二次提水至拉水车；地形条件适宜的可建设高位蓄水池。水源距牧户较近时，可自动化供水入圈，筒井提水时可直接入圈，可利用压力罐控制提水泵；深井提水至蓄水池后，二次提水直接入圈，同时可利用压力罐控制二次提水泵。新能源提水各种模式各有优缺点，可根据实际情况应用适宜的新能源提水模式。比较各新能源模式，风能或太阳能提水存在能源不稳定问题，容易受到自然因素的制约，供水量明显不足，供水保证率较低；风光互补提水也存在能源不稳定问题，受到自然因素的制约，但从牧区自然环境的实际情况来看，风光互补提水保证率较高，太阳能提水保证率较低，风力提水保证率最低，而利用蓄电池保证率最高。从环境效益方面比较，蓄电池对环境影响较大，尤其是使用3～5a蓄电池就要更换报废，对环境极为不利。新能源提水设备利用清洁可再生的风能、太阳能，对环境影响较小，对保护牧区生态环境极为重要。从经济效益方面比较，蓄电池一次性投入较小，但长期投入较大，而新能源提水设备一次性投入大，回报周期长，长期投入小。一般情况下，深井提水设备投入大，筒井提水设备投入小；风光互补保证率高但投资较大，风能、太阳能保证率较低但投资较小。与内燃机提水相比，新能源提水减少了设备安装时间，提高了用水方便程度，但受自然条件制约，针对新能源提水保证率不足、易损坏的特性，及内燃机提水保证率高、不受时间限制的特点，内燃机提水可作为新能源提水的备用供水方式。

5结语

针对牧区供电困难、内燃机费用高的特点，提出利用太阳能、风能和风光互补的新能源供水模式，提出太阳能供水主要模式包括太阳能浅井供水模式、太阳能深井供水模式、太阳能蓄电池供水模式；风能供水主要模式包括无防冻功能的风力提水供水模式、有防冻功能的风力提水供水模式、风能蓄电池供水模式；风光互补供水模式为水源井（深井）—风光互补提水—蓄水池储水—风光互补二次提水—汽车拉水—用水户。明确了各种供水模式的工作原理和适用条件，分析其优缺点显示，新能源提水设备降低了牧民体力劳动，提高了用水方便程度，总体减少了用水费用，节约了燃料，具有较好的环境效益和社会效益。

作者：李亮；王世锋；侯诗文；刘文兵；王星天 单位：中国水利水电科学研究院