光伏提水匹配模型与优化在西藏高原草场喷灌工程中应用---以阿里地区为例

张运鑫，姚 彬，王 鹏

(1.河北工程大学，河北 邯郸 056021；2.河北省生态文明及社会治理研究中心，河北 邯郸056038 3.中国灌溉排水发展中心，北京100053；4.中国水利水电科学研究院，北京100048)

西藏位于我国西南边陲，素有“世界屋脊”之称。以高、寒、旱为主要特征，加之水、热资源时空分配不均，土壤贫瘠，草场成为西藏地区最广阔、最重要的绿色生态屏障，为当地农牧民提供了最基本的生存和发展保障[1]。近年来，由于气候变化、利用不当等自然和人为因素，草地生态系统破坏严重，约52%的天然草原发生不同程度退化，草场一旦破坏，便很难恢复[2]。西藏将如何合理地保护、开发草地资源，高效利用水资源，发展灌溉草地，促进草地生态修复已成为当前亟待解决的问题。

随着太阳能技术和光伏提水技术的成熟，建设、运行成本不断下降，利用光伏提水进行灌溉在很多无常规能源地区得到广泛的应用[3]。这一技术非常适用于像阿里这样人口分散、交通不便、地域广阔、电力缺乏、但光热资源十分丰富的地区。光伏提水灌溉不但克服了当地能源不足问题，而且还能够充分利用当地水资源，解决牧草灌溉问题，从而提高牧草的产量，减轻天然草场放牧压力，利于草场植被的恢复和生态环境的改善。为此，以阿里地区为应用区域，利用中国气象数据网中噶尔站的太阳辐射数据，计算出相应条件下光伏阵列系统的峰值功率，为工程优化配置了光伏板，驱动水泵正常运行，满足当地牧草----燕麦的灌水需求，为草原生态系统的恢复、光伏提水技术的应用提供依据与参考。

1 项目概况

阿里地区位于东经78°20′～86°10′，北纬29°40′～35°40′之间，东西长700 km，南北宽650余km。境内地势高亢、山脉纵横，平均海拔4 500 m。总土地面积2 866.7 万hm2，草原面积2 133 万hm2，占土地总面积的70%左右，可利用的草场面积约1 733 万hm2，主要分布在自拉达克山以西，那不拉尼峰以南，包括札达、普兰两县域内的高山峡谷区域，以及革吉县色麦淌嘎的东部、北部、日土、改则、措勤三县大部分的高山湖盆区域。

阿里地区自然地理环境特殊，降水量少且时空不均，地处干旱地带，草地多处于高山峡谷、湖盆区域，土层相对较厚、气候相对适宜作物生长，但因河床切割较深、水源地势较低、水流流速平缓，修渠引水难度较大，干旱缺水致使牧草产量低、草场废弃，严重阻碍了牧区草地的发展，灌溉工程建设已成为当地发展饲草料基地的必要条件。

阿里地区人口少居住分散，电网稀疏，线路少、架设电网成本高，电力资源缺乏严重影响灌溉工程的发展。但阿里地区太阳能丰富，辐射总量达186 485.1 卡/cm2，全年日照时数在3 153.2～3 549.8 h之间，同时光伏提水技术成熟、成本低，光伏发电能够弥补电力不足问题，为灌溉工程发展提供动力。

项目区位于新开发灌区，属阿里地区革吉县文布当桑乡夏玛村，距文布当桑乡政府5 km，平均海拔4 459 m，设计灌溉面积2.67 hm2。

2 基础数据

2.1 气象资料

区内地势较为平缓，草原面积辽阔，草原资源较为丰富，是当地主要牧业生产基地。年平均降雨量189.6 mm，年平均气温-0.2 ℃，最高气温8.0 ℃，最低气温-9.1 ℃，平均风速4.4 m/s。

2.2 土壤条件

区内土壤厚度25 cm，沙壤土，耕作层土壤容重1.44 g/cm3，田间持水量23.5%，土壤饱和含水率35.3%。

2.3 草原利用情况

阿里地区人口密度稀疏，草原承载力弱，放牧强度增加导致草甸群落的高度、盖度及地上生物量都呈显著降低，牲畜平均占有草地面积逐年增加，草地退化、沙化和荒漠化现象日趋严重，草畜矛盾突出。据阿里地区农牧局草原站2010年统计数据：阿里地区理论载畜量为299.37万绵羊单位，现有载畜量346.66万绵羊单位，超载15.81%，阿里辖区7个县中有6个县超载，其中措勤县超载最严重，达36.04%，其次为普兰县，超载28.92%，革吉县位居第三，超载23.10%。

2.4 人工牧草种植情况

为保护和改善草原生态环境，阿里地区自20世纪80年代起开始引种试验，发展灌溉饲草料地。据统计，阿里地区栽培草地面积约4 746.67 hm2，种植草种主要为燕麦草、披碱草和少量紫花苜蓿，平均鲜草量超过4 500 kg/hm2。种植面积最大的为噶尔县，人工草地种植面积为1 156.67 hm2，单产4 597.48 kg/hm2，其次为革吉县，人工种植草地面积1 072 hm2，单产4 558.71 kg/hm2[4]。

3 工程设计

3.1 作物需水量

项目区主要种植作物为燕麦，据《西藏典型地区燕麦、饲草青稞需耗水规律与灌溉制度》[5]，干旱地区燕麦设计日耗水强度取5 mm，灌溉制度设计见表1。

表1 燕麦灌溉制度设计Tab.1 Design of oat irrigation system

3.2 工程设计与主要参数

(1)喷灌系统布置。喷灌水源从革吉县新建灌区输水管道上取水至蓄水池，光伏水泵从蓄水池中取水。

主管和支管均采用DN63聚乙烯半软管，呈梳齿型布置，主管长度145 m，支管长度1 728 m。

喷头采用阻尼式喷头，额定工作压力0.2～0.25 MPa, 额定流量1～1.2 m3/h，射程12.4～13.4。

(2)灌溉制度。喷头组合为正方形，喷头间距为12 m×12 m、灌水周期为3 d，系统每天运行时间8 h，一个喷点工作时间2.0 h，采取轮灌制度，单条支管为一个轮灌组。

考虑到当地土层较薄，按照传统灌水方式，一次性满足作物灌水定额需求，会造成土壤深层渗漏，故本工程灌溉制度设定时，采用小水勤浇方式。

(3)水泵。光伏系统电力输出为直流电，为与水泵相匹配，在光伏板与水泵中间设置逆变器，用于直流电向交流电的转换。经水力计算，系统设计流量15 m3/h，设计水头35 m；配套水泵型号为SPB6-15-4，额定功率4 kW，效率为0.82，水泵适用交流电源。

4 光伏模型匹配优化计算

4.1 日照分布函数模型构建

基于噶尔站太阳辐射数据及晴天条件下日照分布函数模型[6]，对项目区晴天日间太阳辐射变化进行模拟，日照分布函数模型如下：

(1)

式中：E(t)为日最大辐照度，W/m2；T为日照时长，h；t为1天中的某个时刻。

表1中各灌水时间起始日为代表，以2016年5月31日为典型日，对各日光照辐射进行模拟计算，结果见表2。

表2 光照辐射强度小时分布模拟计算成果(2016年5月31日典型日)Tab.2 Simulation results of hourly distribution of light radiation intensity (typical day on May 31, 2016)

4.2 光伏阵列最大输出功率模型构建

光伏阵列最大输出功率模型构建如下：

Ppvm=η1η2APVEi

(2)

式中：Ppvm为光伏阵列最大输出功率，kW；η1为光伏板转换效率，取17%；η2为控制器转换效率，取98%；APV为光伏面板面积，m2，其中单块光伏板面积为1.65 m×0.992 m，峰值功率为215 W；Ei为落在光伏面板上的太阳辐射强度，W/m2。

4.3 光伏板系统峰值功率确定

对典型日(2016年5月31日)光伏发电系统逐时输出功率进行优化计算，不同峰值功率下的逐时输出功率计算结果见表3。

基于实测数据及文献[7]，当水泵的输入功率大于其额定功率时，水泵按照其额定转速运行，即水泵提水流量为水泵的额定流量。

从计算结果知：当光伏发电系统配备光伏板数量为32块时，光伏发电系统日输出功率大于4 kW的小时数为8 h，可以满足灌溉用水需求。

表3 典型日光伏发电系统逐时输出功率优化计算结果Tab.3 Optimization results of hourly output power of typical daily photovoltaic power generation system

针对作物整个生育期，各灌水起始日光伏发电系统输出功率大于4 kW的小时数的数量优化结果见表4。

表4 光伏发电系统不同峰值功率条件下各灌水起始日满足灌水需求的小时数Tab.4 The number of hours on each irrigation starting date to meet the irrigation demand under different peak power conditions of the photovoltaic power generation system

由表4可知：对于作物整个生育期，当光伏发电系统光伏板数量为32块，即峰值功率为6.88 kW时，可以满足整个生育期的灌水需求。按照优化结果，工程配置了32块光伏板。

2018年，光伏提水灌溉设备在革吉县文布当桑乡夏玛村项目点安装完成，经试运行，光伏提水水量完全满足灌溉需求。

5 结 语

本文结合高寒地区燕麦喷灌工程设计成果，利用中国气象数据网中噶尔站的太阳辐射数据，建立日照分布函数模型，分解出典型日逐时辐射强度，构建光伏阵列最大输出功率模型，得出光伏阵列逐时输出功率，计算了相应条件下光伏阵列系统的峰值功率，为工程优化配置了光伏板数量。工程应用表明：光伏匹配模型和优化计算所确定的光伏板数量和功率是可行的，能够驱动水泵正常运行，满足燕麦灌水需求。