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摘要：為了推廣應用牧區新能源供水模式的，針對風能、太陽能及風光互補的牧區供水模式開展研究，利用新能源供水模式與現狀供水模式的比較分析，提出了各種供水模式的工作原理及適用條件。研究表明：新能源提水設備降低了牧民體力勞動，提高了用水方便程度，總體減少了用水費用，節約了燃料，具有較好的環境效益和社會效益。

關鍵詞：牧場供水；供水模式；太陽能提水；風光互補提水；風能提水

我國北方牧區常規能源較為短缺，電網覆蓋范圍有限，很多地方還沒有通電，但可再生能源的儲量卻非常豐富，在我國廣大北方牧區有豐富的風能和太陽能資源，利用新能源是解決牧區能源供給不足的有效途徑［1］。牧區人畜供水工程是我國水利建設的一項重要內容，牧區供水事業的發展，直接關系到當地的經濟發展和人民生活水平的提高。牧區人居分散，電網建設線損高、效益低，目前絕大多數地區處于無電網狀態。這些地區非常適合發展風能、太陽能為動力的提水作業。新能源供水已成為解決牧區及偏遠地區飲水安全問題的主力軍［2］。牧區新能源供水主要指風能、太陽能提水設備在牧場供水中的應用。目前新能源在牧場供水中的利用已得到示范推廣［3］，同時針對風能、太陽能提水系統的研究成果也很多。新能源供水受到資源條件、地形、水源等多方面因素影響，形成多種供水模式，各模式的工程組成及適用條件等各不相同。筆者針對風能、太陽能及風光互補等新能源供水模式進行分析研究，提出各種模式的工程組成和適用條件，以期為牧區新能源供水機具的應用和推廣提供技術支撐［4］。

1太陽能供水模式

太陽能供水在牧區應用比較廣泛，目前主要供水模式有太陽能淺井供水、太陽能深井供水、太陽能蓄電池供水［5］。

1．1太陽能淺井供水模式太陽能淺井供水模式為水源井—太陽能提水—汽車拉水—用水戶。

1．1．1工程組成太陽能淺井供水工程由以下部分組成：太陽電池板、支架、基礎、控制系統、光伏提水專用水泵、取水建筑物、輸水管線、用水終端、安全防護網等，見圖1。太陽電池板、支架、基礎形成光伏動力系統提供動力能源；控制系統主要為控制器，用于調節控制電流；水源井水泵多為潛水泵；取水建筑物主要為水源井，并根據水源井情況匹配動力系統；輸水管線現狀主要為出水管，目前牧區實現遠距離輸水較困難；用水終端主要為牲畜飲水槽或用水戶拉水車等；安全防護網主要用于防牲畜破壞。

1．1．2工作原理太陽能光伏系統提供動力，驅動水泵提水，在有效光資源下連續工作，從淺井提水，以“低揚程大流量”運行方式運行，水泵提水后直接輸水至用水終端（拉水車或牲畜飲水槽）。1．1．3適用性太陽能淺井供水模式主要適用于小于30m深的水源井，水量充沛，滿足小揚程、大流量的出水需求，對于水量不充足的水源井需要增加儲水設施。主要缺點是太陽能提水設備在光線不充足時或夜間不能提水，對管理維護要求較高。主要優點是一次性投資較小，經濟效益十分顯著。1．2太陽能深井供水模式太陽能深井供水模式為水源井—太陽能提水—蓄水池儲水—太陽能二次提水—汽車拉水—用水戶［6］。

1．2．1工程組成太陽能深井供水合理的泵站配置主要有太陽電池板、支架、基礎、控制系統、光伏提水主水泵、取水建筑物、蓄水池、提水輔泵、輸水管線、用水終端、安全防護網等［7］。各組成部分主要作用與太陽能淺井供水模式相同，蓄水池一般建在地下，可提高供水保證率，便于供水設施抗凍。

1．2．2工作原理太陽能光伏泵系統提水主泵在有效光資源下連續工作，絕大部分時間是從深井中提水，以“高揚程、小流量”運行方式運行，將提出的水儲存在蓄水池中。有用水戶開車運水或牲畜飲水時，光伏動力系統脫開提水主泵，切入提水輔泵，輔泵將水從蓄水池裝入運水車或飲水槽中，此時光伏提水系統以“低揚程、大流量”運行方式運行，提水結束后，復位到深井提水工況。蓄水池的容水量一般為供水對象的日用水量。

1．2．3適用性太陽能深井供水模式主要適用于大于30m深的水源井，水量滿足大揚程、小流量的出水需求，建設有防凍需求的蓄水池。主要缺點是太陽能提水設備在光線不充足時或夜間不能提水，一次性投資較大，管理維護要求較高。主要優點為可以利用牧區部分不易利用的深井。

1．3太陽能蓄電池供水模式太陽能蓄電池供水模式為太陽能聚能—蓄電池儲能—水源井水泵提水—汽車拉水—用水戶。

1．3．1工程組成太陽能蓄電池供水模式主要由以下部分組成：太陽電池板、支架、基礎、控制系統、光伏提水專用水泵、蓄電池、輸水管線、用水終端、安全防護網等。各組成部分主要作用與太陽能淺井供水模式相同。

1．3．2工作原理太陽能板利用太陽能充電至蓄電池，利用蓄電池驅動水泵提水。

1．3．3適用性太陽能蓄電池供水模式主要適用于小于60m深的水源井，水量充足，水源井越深需要蓄電池容量越大、造價越高。主要缺點是蓄電池更換頻率高，成本大，廢舊電池處理對環境影響較大，不可利用較深水源井，管理維護要求較高。主要優點為提水設備在光線不充足時或夜間也能使用，用水方便程度較高。

2風能供水模式

牧區風能供水模式選用風力機功率一般為1～5kW的小型風力機組，日提水量為5～50m3，額定揚程為10～80m，額定流量為1～5m3／h的提水系統。由于風資源存在不穩定性，且變化頻率較高，需要儲水或儲能的設備進行調節，因此風能提水一般需要增設蓄水池或利用蓄電池儲能［8］。風能供水在牧區得到了廣泛應用，目前主要模式有無防凍功能的風力提水供水模式、有防凍功能的風力提水供水模式、風能蓄電池供水模式。

2．1無防凍功能的風力提水供水模式無防凍功能的風力提水供水模式為水源井—風能提水—高位蓄水池蓄水—汽車拉水—用水戶。

2．1．1工程組成風力提水工程一般由以下部分組成：風力機、風力機基礎、控制系統、提水裝置（泵）、取水建筑物、輸水管線、高位蓄水池（水箱）、用水終端、安全防護網。工程組成見圖3。風力機和風力機基礎是動力系統，提供動力能源；控制系統主要為控制器，用于調節控制電流；提水裝置主要是水源井水泵，多為潛水泵；取水建筑物主要為水源井，根據水源井情況匹配動力系統；輸水管線主要為出水管；高位蓄水池主要為架設在高處、便于供水的水箱或有地形條件的水池，高位水箱一般不具有防凍功能；用水終端主要為牲畜飲水槽或用水戶拉水車等，安全防護網主要用于防牲畜破壞。風力機與水源井由安全圍欄進行封閉，構成提水作業區。在圍欄外有高位蓄水池、供水栓、拉水車裝水臺、牲畜飲水槽及輸水管線。高位水池的容積一般為供水對象的日用水量。

2．1．2工作原理風力提水機全天候工作，將水輸入蓄水池，蓄水池的底端一般高于用水終端約2m（裝車供水栓除外），使水依靠勢能產生靜壓而自動供水。

2．1．3適用性無防凍功能的風力提水供水模式適用于冬季不需要供水的水源點，高位蓄水池無防凍功能，冬季需放空以免凍脹損壞。主要缺點是冬季不可使用，管理維護要求較高。主要優點為用水方便程度較高，一次性投入較小。

2．2有防凍功能的風力提水供水模式有防凍功能的風力提水供水模式為水源井—風能主泵提水—地下蓄水池蓄水—利用風能結蓄電池充電輔泵提水—汽車拉水—用水戶。

2．2．1工程組成有防凍功能的風力提水供水模式由取水建筑物（水井）、風力提水機、提水主泵、地下防凍蓄水池、供水輔泵、供水輔泵蓄電池、給水栓及輸水管線組成。各組成主要作用與無防凍功能的風力提水供水模式相同。風力機、水源井、地下保溫蓄水池由安全圍欄進行封閉，形成提水作業區。在圍欄外有控制室、給水栓、拉水車裝水臺、牲畜飲水槽和輸水管線。蓄水池蓄水量為供水對象日用水量，地下蓄水池為封閉式蓄水，水池的頂部一般高于地面0．2～0．3m（防止車輛碾壓），并在頂部覆蓋保溫材料和吸熱材料，以確保冬季的防凍效果。與無防凍設施的模式相比，儲水池在地下，適用于在北方寒冷地區進行防凍保溫。由于儲水池在地下，因此無法實現自動供水，需在系統中增設蓄電池驅動的供水輔泵“大流量、小揚程”工況下運行。

2．2．2工作原理風力機全天候工作，一般其輸出功率的80％用于從井中將水提入地下儲水池中，約20％用于蓄電池的充電，當需要供水時，蓄電池驅動供水泵給用水設施供水。一般蓄水池深3m，井深20～80m，池深與井深的比值為蓄電池負載與風力機負載的比值。為實現快速裝車，輔泵一般采用短時間大功率模式工作。

2．2．3適用性有防凍功能的風力提水供水模式適用于風資源較豐富的供水點，可全年供水，且供水保證率較高。主要缺點為一次性投資較大，管理維護要求較高。主要優點是冬季可以正常使用。

2．3風能蓄電池供水模式風能蓄電池供水模式為風力機組聚能—蓄電池儲能—水源井水泵提水—汽車拉水—用水戶。

2．3．1工程組成風能蓄電池供水模式與太陽能蓄電池供水模式相似，主要由以下部分組成：風力機組、基礎、控制系統、風力提水專用水泵、蓄電池、輸水管線、用水終端、安全防護網等。各組成部分主要作用與太陽能蓄電池供水模式相同。

2．3．2工作原理風力機利用風能充電至蓄電池，利用蓄電池驅動水泵提水。

2．3．3適用性風能蓄電池供水模式主要適用于小于60m深的水源井，水量充足，水源井越深蓄電池容量越大、造價越高。主要缺點是蓄電池更換頻率高，成本大，廢舊電池處理對環境影響較大，不可利用較深水源井，管理維護要求較高。主要優點為提水設備在風能不充足時也能使用，用水方便程度較高。

3風光互補供水模式

風光互補供水模式主要針對牧區80～150m深的水源井、日供水量較大的供水點。風光互補供水模式為水源井（深井）—風光互補提水—蓄水池儲水—風光互補二次提水—汽車拉水—用水戶［9］。

3．1工程組成風能太陽能互補兩級提水模式由風力提水機組、太陽能動力系統、控制器、提水裝置、取水建筑物、輸配水管網、蓄水池、用水終端、安全防護網等組成。風力機和太陽能動力系統提供動力能源；控制系統主要為控制器，用于調節控制風能、太陽能電流；提水裝置主要是水源井水泵，多為潛水泵；取水建筑物主要為水源井，根據水源井情況匹配動力系統；輸水管線主要為出水管；蓄水池主要為地下蓄水池，具有防凍功能；用水終端主要為牲畜飲水槽或用水戶拉水車等；安全防護網主要用于防牲畜破壞，主要圍護風力提水機組、太陽能動力系統、控制器、提水裝置、取水建筑物。

3．2工作原理第一級提水通過“小流量、高揚程”潛水泵把水提到蓄水池，第二級提水通過“大流量、小揚程”的水泵把水池中的儲水提到牧民的拉水車或飲水槽。白天以太陽能提水系統為主，在有效光資源下連續工作，絕大部分時間是從深井中提水，以“小流量、高揚程”運行方式運行，將提出的水儲存在蓄水池中。有用戶開車拉水時，通過手動形式將太陽能動力系統切換到二級提水水泵，將水從蓄水池裝入運水車中，此時提水系統以“大流量，小揚程”運行方式運行。裝水結束后，切換到深井提水工況。17：00以后太陽能動力不起作用，以風能提水系統為主（17：00—次日9：00風速較大），將深井中的水以“高揚程、小流量”運行方式儲存到蓄水池。夜間拉水的用戶很少，風能提水主要起到將蓄水池蓄滿的作用。少數用戶拉水時和上述太陽能提水運行方式相同。

3．3適用性風光互補供水模式主要適用于深機電井，一次性投資較大。主要缺點是成本大，管理維護要求較高。主要優點為提水設備在風能或光能不充足時也能使用，用水方便程度和供水保證率較高。

4新能源供水模式的優缺點及適用性

新能源供水模式的選擇需因地制宜，綜合考慮風資源、光資源、水源、地形等多方面因素。根據不同水源井形式，劃分為筒井（大口井）和深井，筒井（大口井）利用淺層水，提水難度較小，宜使用小功率大流量光伏提水、風力提水系統，不需要蓄水池，無需二次提水，也可采用蓄電池儲能提水。深井利用深層水，提水難度較大，宜采用大功率小流量的光伏提水、風力提水、風光互補提水系統，需要蓄水池，同時小功率、大流量二次提水至拉水車；地形條件適宜的可建設高位蓄水池。水源距牧戶較近時，可自動化供水入圈，筒井提水時可直接入圈，可利用壓力罐控制提水泵；深井提水至蓄水池后，二次提水直接入圈，同時可利用壓力罐控制二次提水泵。新能源提水各種模式各有優缺點，可根據實際情況應用適宜的新能源提水模式。比較各新能源模式，風能或太陽能提水存在能源不穩定問題，容易受到自然因素的制約，供水量明顯不足，供水保證率較低；風光互補提水也存在能源不穩定問題，受到自然因素的制約，但從牧區自然環境的實際情況來看，風光互補提水保證率較高，太陽能提水保證率較低，風力提水保證率最低，而利用蓄電池保證率最高。從環境效益方面比較，蓄電池對環境影響較大，尤其是使用3～5a蓄電池就要更換報廢，對環境極為不利。新能源提水設備利用清潔可再生的風能、太陽能，對環境影響較小，對保護牧區生態環境極為重要。從經濟效益方面比較，蓄電池一次性投入較小，但長期投入較大，而新能源提水設備一次性投入大，回報周期長，長期投入小。一般情況下，深井提水設備投入大，筒井提水設備投入??；風光互補保證率高但投資較大，風能、太陽能保證率較低但投資較小。與內燃機提水相比，新能源提水減少了設備安裝時間，提高了用水方便程度，但受自然條件制約，針對新能源提水保證率不足、易損壞的特性，及內燃機提水保證率高、不受時間限制的特點，內燃機提水可作為新能源提水的備用供水方式。

5結語

針對牧區供電困難、內燃機費用高的特點，提出利用太陽能、風能和風光互補的新能源供水模式，提出太陽能供水主要模式包括太陽能淺井供水模式、太陽能深井供水模式、太陽能蓄電池供水模式；風能供水主要模式包括無防凍功能的風力提水供水模式、有防凍功能的風力提水供水模式、風能蓄電池供水模式；風光互補供水模式為水源井（深井）—風光互補提水—蓄水池儲水—風光互補二次提水—汽車拉水—用水戶。明確了各種供水模式的工作原理和適用條件，分析其優缺點顯示，新能源提水設備降低了牧民體力勞動，提高了用水方便程度，總體減少了用水費用，節約了燃料，具有較好的環境效益和社會效益。

作者：李亮；王世鋒；侯詩文；劉文兵；王星天 單位：中國水利水電科學研究院