风油互补提水装置在稻田灌溉上的应用

王文蔚

（江苏省海安县新能源业商会，江苏海安 226600）

风力提水是一种古老的风能利用形式，13世纪已经应用，例如在荷兰的历史上，曾经利用风车排除沼泽地的积水，保障了全国三分之二的土地免受海水倒灌的威胁。我国也有风能利用的技术，数百年前江苏省海安县已经有风力提水的记载。风力发电是目前最成熟的可再生能源利用技术之一，但是由于风力发电具有随机性，大规模利用风力发电对电网的冲击很大，制约了风力发电技术的推广应用。风车提水就地利用风能，可以摆脱风能利用对电网的依赖和制约，也是今后风能利用的一个有效途径。随着风力机性能的提高，风力提水作为一种绿色技术，具有推广利用的可行性。本文以江苏省海安县利用风能提水灌溉水稻田为例，分析风车提水灌溉的可行性以及推广风能提水的一些建议。

1 海安县的风能资源和提水灌溉历史

江苏省海安县地处黄海之滨，离长江较近，县域的北部属里下河地区，河港交错，是有名的鱼米之乡。该县风力资源较为丰富，根据江苏省气象情报资料室提供的资料，1959—1980年海安县城近郊各月的平均风速为3.3m／s，年有效风速为3 625h，年有效风能密度为108.4W／m2，年有效风能为393kWh／m2。在离镇郊区3～5km的地域测量，发现风速比近郊还要增加30%～50%，因此该县年平均风速为4～5m／s，年有效风速为4 000～5 000h，属于风力资源较佳区。

2012年1月11日海安县气象站提供的风速资料：2009年1—12月月平均风速分别为2.4，2.8，2.8，2.6，2.1，2.3，2.4，3.0，2.3，1.6，3.0，2.4m／s；年平均风速为2.5m／s；年内瞬时最大风速为22.0m／s。2010年1—12月月平均风速分别为2.5，2.7，3.4，2.7，2.4，2.1，1.9，1.8，2.2，2.2，1.7，2.8m／s；年平均风速为2.4m／s；年内瞬时最大风速为15.6m／s。2011年1—12月月平均风速分别为2.1，2.1，2.3，2.7，2.4，2.4，1.9，2.1，2.3，1.9，2.1，2.1m／s；年平均风速为2.2m／s；年内瞬时最大风速为20.3m／s。

丰富的风力资源可以作为农业生产设备的动力，海安地区已有数百年的风车戽水历史，特别是解放后我国农业生产迅速发展，用戽水灌溉的风车也越来越多，乡村沿河两岸簇立的风车随风旋转，清澈的河水从河里被木制槽筒内上下翻转的木板戽上岸来，白花花的水顺着渠道流入稻田，那种令人难忘的田园风光，成为该县一道亮丽的风景。据说，这种古老的风车在海安从明朝一直沿用到1979年。不过限于当时的技术水平，这些老式风车存在许多缺陷，因此逐步被电力灌溉所替代，到了1979年该县已经没有提水风车了。

据统计，1963年海安县拥有风车7 208台，担负着全县一半以上18 667公顷（1hm2＝15亩）稻田的灌溉任务，每年可节省用电约980万kWh，在当时的经济环境下发挥了很大作用。根据当时的物质条件和科技水平，戽水的风车全部是手工制作。风车的叶轮一般由6～8片叶片组成，叶轮直径约为10m，下端离地不到1m。叶轮采用木头做支架，一旦风向发生变化，只要移动木头支架就可以使叶轮的迎风面面对来风。风轮叶片采用棉布，用毛竹支撑叶片，叶片可在毛竹上滑动，当风速变化时通过移动棉布，改变叶片的受风面积，使转速保持在合理范围内，避免风车受损。

1982年6月6—16日，在海安县角斜农机站，对这种风车的效率进行了实际测量。当时选用2台尺寸一样（叶轮直径为2m），安装高度一样（叶轮下端离地为5m），两台相距50m以上。其中一台是传统布质风车，叶片8片，另一台是现代风力机，叶片亦为8片。它们各自拖带1台同型号同规格的单相交流发电机，供给同样大小的负荷（电灯），用单相电能表记录240h所用电能，风车的效率为20%～25%。

2 风力提水技术的改进

水泵的启动转矩大，用于提水的风力机必须具有较大的风能利用系数和较大的转矩，以适应其特点，因此风力机必须采用多叶片组成的叶轮，一般取12～14片，采用现代技术制造的这种风力机，风能的利用效率可以达到70%左右。

采用风力机提水，当水稻生长急需要水时，有可能缺少能启动风车运转的风。为了不延误农时，过去的做法是用人力或畜力转动戽水水车进行灌溉。不过这种技术已经不适合当前的农业生产需要。为了减少风力的波动性对发电量的影响，现代风电机组特别是离网型风电机组，可以采用蓄电池组对机组的发电进行储存，但是风力机提水如果采用这种方法，除了增加蓄电池组外还必须增加发电设备和电动机等，技术复杂，制造成本高，维护困难，不适合农村使用，也违背了风力机提水为了提高效率减少投资直接利用风能的原则。

在实际使用中，只要风力提水站附近有市电可用，采用电动机做后备的动力源将是风力提水最好的补充办法。如果没有这样的条件，也可以采用柴油机作为备用动力源。这种互为补充的技术容易掌握，设备投资不多，农村容易接受。在实际运行中，当风力足够大时由风力机单独带动水泵提水；当风力较小时由柴油机与风力机共同带动水泵提水；当风力太小风力机无法运行时由柴油机单独带动水泵提水。柴油机的启动以及风力机的接合或分离，可由人工操作也可采用自动化技术进行控制，例如：选用磁粉离合器可以实现风力机与水泵、或柴油机与水泵、或风力机加柴油机与水泵接合（或分离）的柔性操作和软启动。选用风速传感器可以感知风速大小和变化，通过执行电路可以对机组的运行和切换进行自动控制。

相关资料显示，该县平均每千瓦的电灌动力可以灌溉0.65公顷稻田，按每台风力机灌溉7.4公顷稻田估算，要求风力机的功率相当于11.3kW，取12kW。按目前的风电设备市场价格计算，每1 kW风力机的设备投资约为5 000元，每台造价约6万元。1台12kW的自动偏航模式的风力机配套1台18.4kW（25马力）自启动柴油机组成一套互补式风力提水装置，投资约7.6万元，其中柴油机、水泵、磁粉离合器及其控制电路等约1.6万元。

每台风车可以灌溉稻田面积为7.4公顷。根据海安县农机管理部门提供的资料，2010年海安县实有水稻面积为37 000公顷，只需5 000台这样的风车即可满足全县灌溉需要。如果以每亩可以节省电能35kWh计算，每台机组每年节电为3 885kWh，全县每年可以节电1 943万kWh。

3 建议

12kW的风力—柴油机联合提水机组的投资成本为7.6万元，如果全部要农民一次性投入，负担可能大了点。建议政府有关部门制订相关的政策，在推广风力提水技术的过程中适当减轻农民负担。一方面，按照国家对大型农业机械的补贴和对新能源产品补贴的政策，对提水机组的建设进行补贴；另一方面，还可以根据风力提水机组运行的减排效果进行奖励。1台12kW的风力—柴油机联合提水机组每年可以减少CO2排放3.3 t，从“碳交易”角度出发，制订相关标准和政策，对农民给予一定的减碳补偿。