太阳能光伏提水系统与传统提水系统成本对比分析

邱昕恺，卢 成

（浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

光伏提水系统亦称太阳能提水系统，是指利用太阳能作为动力，带动水泵从深井、江河、湖塘等水源提水，可为缺水、缺电地区百姓解决生产、生活中缺水的问题。尤其是占我国国土面积1/2以上的东北、西北、华北地区以及青藏高原，太阳能资源丰富[1]，适宜使用光伏提水，如刘家宏等[2]于青海湖开展光伏提水微喷灌系统的经济及技术条件研究，程荣香等[3]在内蒙古自治区进行光伏提水灌溉试验示范等。在非缺水地区也适用太阳能光伏提水系统，如杨志斌等[4]论证了在海南农业推广太阳能光伏提水灌溉的可行性。浙江省目前大力推进“四个百万”高效节水灌溉工程，光伏提水灌溉可以解决由于地形原因造成局部缺水、少电的坡耕地和林园地的2个百万亩灌溉问题。

联合国国际开发署（UNDP）、世界银行（WB）、亚太经社会（ESCAP）等国际组织先后充分肯定了光伏提水系统的先进性和合理性，并已为许多贫困地区加快脱贫步伐，但是由于技术、成本等原因，该行业发展还不充分，发展空间很大。其中成本的分析是其推广的重要指标，本文基于2016年浙江省科学技术厅“太阳能光伏提水灌溉研究”项目（编号2016F40002）进行相关研究，得到成本对比分析数据，可为浙江省推动太阳能光伏提水系统提供科技支撑。

1 研究方法

1.1 研究场地

研究在浙江省灌溉试验中心站进行，位于杭州市萧山区 — 浙江省水利围垦高科技农业园区内，北纬32°52＇，东经120°10＇，平均高程7.00m，区域年平均降水量1320.5mm，平均气温16.1℃，试验水源为试验站北侧河道，供电使用杭州市萧山区市电；多年平均年日照时长1765h。

1.2 研究方法

（1）购置成本分析：通过比对采购市电水泵（国产与进口）、柴油机水泵、以及离心光伏泵（国产与进口），分析购置成本。

（2）年运行成本分析：通过水泵参数，计算相同提水量情况下的年运行费用，包括能源费、人工费以及维护费。

（3）吨提水成本分析：结合购置费用以及年运行成本，计算吨提水费用。通过多年分担成本，提出不同使用时间后，不同类型水泵的年度成本。

2 成本计算

2.1 功率计算

设备工况扬程50m，输水距离30m，日提水量240t，每天满频率工作时间6h，流量为40t/h，有效消耗功率公式为：

式中：P为功率，kW；m为水的质量，kg；g为重力加速度，m/s2；h为扬程，m；T为时间，min。

根据上式计算40000×9.8×50 / 3600=5.44kW，可得有效消耗功率为5.44kW。

取普通离心泵加权效率η1=25%，普通离心泵工况效率η2=40%。

2.2 设备购置成本

市电水泵设备购置成本，包括变压器、电控柜、水泵3部分，柴油机整套泵组采购，光伏水泵成本包括水泵、控制器、支架及太阳能板4部分。设备购置成本见表1。

表1 水泵购置成本表

2.3 年运行成本

根据试验实际情况，市电0.60元/（kW · h）、柴油6.10元 /L（密度 0.82）、柴油机比油耗g= 0.3kg/（kW · h），皮带传送效率80%，每天取水240t，每年取水120d，可得水泵年运行成本（见表2）。

表2 年运行成本表

2.4 吨提水成本

根据费用公式 =（设备造价+年数×年合计费用）/（年数×年提水总量），可得多年分担成本后吨提水费用（见表3）。

表3 吨提水成本表 元/m3

3 结果与分析

3.1 购置成本与年度运行成本

对比不同水泵的购置成本与年度运行成本结果见图1。总体而言，光伏水泵的购置成本高于传统水泵，而年运行成本低于传统水泵；进口水泵普遍比国产水泵购置成本高，运行维护成本接近，但使用年限更长。

图1 购置费与年度运行费对比图

3.1.1 传统提水与太阳能光伏提水对比

①购置成本方面，柴油机的购置费明显低于市电水泵与光伏水泵；光伏水泵的价格（15万 ～ 17万元）为市电水泵（5万 ～ 7万元）的2.6～ 2.8倍，主要价格差距在于光伏水泵需配备太阳能板（11.76万元）。②年运行成本方面，柴油机的年度运行费（4.34万元）明显高于市电水泵及光伏水泵，为市电水泵的3.5倍，是光伏水泵的14.5倍；光伏水泵由于无需能源费，人工费仅需防盗看护费用，年度运行费用最低。

3.1.2 进口水泵与国产水泵对比

进口市电水泵购置费比国产高12.60%，进口光伏水泵购置费比国产光伏水泵高4.77%，运行维护成本相同；进口产品价格虽高，但进口市电水泵控制柜寿命为15a，比国产高5a；进口光伏泵的水泵寿命为4a比国产高出1a。

3.2 多年分担吨提水成本

对比不同水泵的多年分担吨提水成本结果见图2。总体而言，光伏提水系统虽然运行成本较低，但受高购置成本限制，多年分担后吨提水成本相较传统提水优势不大。

图2 多年分担吨提水成本图

3.2.1 传统提水与太阳能光伏提水对比

①市电水泵（使用年限5a以上），至第5年吨提水成本下降290% ～ 301%。由于使用年限长，其吨提水成本下降至小于0.80元/m3后，依旧可以以低成本运行5～ 10a，经济效益相较其他类型水泵最高。②柴油机由于购置成本最低，年度运行成本最高，多年分担购置成本后，吨提水成本依旧以年度运行成本为主，降幅较小。至第2年，其吨提水成本已超过市电水泵；至第4年，已超过光伏水泵。③光伏水泵由于年度运行费用最低，购置成本最高，多年分担购置成本后，吨提水成本降幅最大。进口光伏水泵（使用年限4a），至第4年吨提水成本下降380%；国产光伏水泵（使用年限3a），至第3年吨提水成本下降290%。虽然降幅最大，但由于使用年限限制，在成本下降后，难以继续使用。

3.2.2 进口水泵与国产水泵对比

①进口水泵与国产水泵的吨提水成本随着分担年份的增加逐渐降低。因进口市电水泵与国产市电水泵成本差距较大，进口市电水泵的购置成本得到多年分担后，其吨提水成本降幅明显（逐步接近国产水泵）。②光伏水泵因进口产品与国产产品购置成本差距不大，多年分担购置成本后，吨提水成本依旧接近，进口产品比国产产品高约4%。

4 结 论

总体而言，光伏水泵的购置成本高于传统水泵，年运行成本低于传统水泵；进口水泵普遍比国产水泵购置成本高，运行维护成本接近，但使用年限更长。

（1）太阳能光伏水泵的购置成本由于需配备太阳能板，远高于市电水泵与柴油水泵；但由于无需能源费，人工费也仅需防盗看护，年度运行成本最低。太阳能板的研发以及成本的降低，是降低太阳能光伏水泵的主要方法。

（2）太阳能光伏水泵的进口产品与国产产品成本差距较小，但进口产品的使用年限（4a）高于国产产品（3a）。由于太阳能光伏水泵随着使用年限的增加，其多年分担的吨提水成本降幅远大于市电水泵与柴油水泵。增加光伏水泵的使用年限，可以明显提高经济效益，且经多年分担成本，有望使其成为吨提水成本最低的水泵类型，发展潜力巨大。

[1] 刘伟，吴永忠，刘惠敏，等.太阳能光伏提水节水灌溉技术[J].节水灌溉，2004(5)：49- 50.

[2] 刘家宏，徐鹤，王浩，等.太阳能光伏水泵提水灌溉修复草场的水资源要求[J].干旱区资源与环境，2013(6)：20- 25.

[3] 程荣香，张瑞强.光伏提水技术在农作物灌溉上的应用[J].可再生能源，2008(1)：72- 73，78.

[4] 杨志斌，林青青，黎勇，等.太阳能光伏提水系统在海南农业中的应用[J].热带农业科学，2013(2)：98- 101.