农业灌溉光伏水跟踪发电系统的初步研究

王 进，肖振兴，梁 甜

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014)

0 引言

光伏发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，持续受到关注，并出现了多种将光伏产业与传统产业相结合的应用模式，比如，农业养殖与光伏发电系统相结合的农光互补电站、渔业养殖与光伏发电系统相结合的渔光互补电站等，且经济效益与社会效益显著。

农业灌溉作为保证农业生产的重要方式，是指对农业耕作区进行的灌溉作业，是为解决自然降水量不足或水资源分布不均匀的问题而对耕地进行的水分补充，一般可分为传统的地面灌溉、普通喷灌及微灌等方式。我国是一个水资源贫乏的国家，在世界范围内属于最贫水国之一，人均占有量仅为美国的1/5；并且我国38%的耕地分布在西北、华北和东北等北方地区，这些地区的气候条件属于干旱少雨的类型，水资源则更为匮乏。

因此，将农业灌溉与光伏产业相结合具有较为重要的意义。本文提出了一种农业灌溉光伏水跟踪发电系统，并分析了其应用可行性和效益性。

1 农业灌溉的发展概况及趋势

1.1 我国农业灌溉的发展概况

在我国北方地区，50%以上的土地缺少农业灌溉，造成我国灌溉水有效利用系数仅为0.53，远低于发达国家0.8 的平均水平，很难保证农作物的稳产和高产。同时，除了北方地区缺乏农业灌溉基础设施外，我国很多地方采用的还是落后的灌溉方式，水资源利用率低[1]。

为解决农业灌溉的问题，我国农业灌溉技术的发展主要经历了引进吸收、推广发展和激烈竞争3 个阶段。1)引进吸收阶段主要是引进农业灌溉技术先进的国家的设备，并在国内进行相关的试验、消化和研发，该阶段引进的主要是采用喷灌和微灌技术的产品；2)推广发展阶段主要是推广节水型农业灌溉设备，在第1 个阶段的基础上对设备进行改进，突出节水功能，并形成了一定规模的初期市场；3)激烈竞争阶段仍然是发展节水型农业灌溉设备，与第2 个阶段的区别是供应方的数量和竞争的激烈程度加大，但普遍存在厂家规模不大、行业集中度不高的现象。

1.2 农业灌溉的发展趋势及思考

由于农业灌溉中的地面灌溉与普通喷灌方式会使水资源不能得到充分利用，造成水资源的浪费，因此目前主要推广的是微灌等节水灌溉方式。

与节水灌溉并行研究的是节能灌溉。目前，节能灌溉主要是通过提高农业灌溉设备的工作效率和经济性来整体提高灌溉技术的自动化和电气化水平。虽然节能灌溉是目前农业灌溉技术的研究方向之一，但将光伏发电与农业灌溉结合却是该研究方向中的一大空白。

如果将农业灌溉中的节水、节能技术相结合，研发出具有普适性的新产品，将具有广阔的应用前景。

2 光伏跟踪支架的发展概况及趋势

2.1 光伏跟踪支架的发展概况

光伏支架是光伏发电系统中为了摆放、安装、固定光伏组件而设计的特殊支架，主要分为固定式和跟踪式2 种。其中，光伏跟踪支架是能够自动跟踪太阳的装置，主要通过实时跟踪太阳运动，使太阳光一直垂直照射光伏组件，增加组件接收到的太阳辐射量，从而提高光伏发电系统的整体发电量。

光伏跟踪支架主要包括机械部分和电气部分，目前，光伏跟踪支架主要分为水平单轴跟踪支架、双立柱斜单轴跟踪支架、垂直单轴跟踪支架和双轴跟踪支架这4 种类型，其中使用较为广泛的是水平单轴跟踪支架[2]。

随着相关技术的发展，当前光伏跟踪支架的单位成本比2009 年时降低了300%～400%，销售价格也已降至0.7 元/W；相比于采用固定支架，采用光伏跟踪支架将使光伏发电项目业主每年增加约0.1 元/kWh 的发电收益，若以20～25 年的寿命周期计算，因采用光伏跟踪支架增加的投资成本可在3～4 年完成回收，经济效益优势较为明显[3]。

2.2 光伏跟踪支架的发展趋势及思考

为了进一步降本增效，光伏跟踪支架的机械部分可以通过产品优化来节省成本，电气部分则可以通过提升稳定性来减少运行维护成本；而增效则需要赋予光伏跟踪支架更多的功能，在单位成本不变的情况下实现更多的功能处理，从而提高其综合效益。目前常见的增效方法是将光伏跟踪支架与光伏产业内的上、下游产品进行融合。但若根据光伏跟踪支架的产品特点将其与农业中的需求相结合，在拓宽光伏发电应用场景的同时，还能实现其功能的附加和提升。

3 农业灌溉与光伏跟踪支架相结合的可行性

通过对农业灌溉和光伏跟踪支架的现状及发展趋势进行分析，研发设计了一种新型产品——农业灌溉光伏水跟踪发电系统，该系统在实际应用过程中通过利用重力水箱的平衡原理来驱动光伏跟踪支架跟踪太阳，既解决了光伏跟踪支架的追日需求，还完成了组件的自动清洗，同时又解决了农业灌溉问题。

图1 为农业灌溉光伏水跟踪发电系统的系统原理图。该系统的工作原理为：1)初始状态时，光伏跟踪支架上的光伏组件处于向东倾斜45°的位置，且清洗管路开始自动清洗光伏组件，从而使重力水箱为清空状态；2)清洗完成后，在设定时间内由水泵系统给重力水箱供水，由于重力水箱的重力作用，光伏组件开始向西转动，每次转动的角度为15°，通过输送不同的水量，可以使光伏组件处于不同的位置，但最终位置为向西倾斜45°，实现了光伏跟踪支架的追日功能；3)完成光伏跟踪支架的追日功能后，重力水箱的水量达到设计最大值，然后通过灌溉管路进行灌溉，随着重力水箱的水通过灌溉管路排出，光伏组件又逐渐回到初始位置。

图1 农业灌溉光伏水跟踪发电系统的原理图Fig. 1 Schematic diagram of solar power water-tracking generation system for irrigation

本文设计的农业灌溉光伏水跟踪发电系统具有以下特点：

1)以较低的成本实现了光伏跟踪支架的追日功能。通过对光伏跟踪支架的横梁及立柱结构进行设计优化，引入多项新型专利技术，精简了零部件；通过增加中间立柱，使一套支架可以容纳更多的光伏组件，降低了单位造价，其成本与电机驱动的水平单轴跟踪支架相仿。

2)跟踪精度满足追日精度的要求。基于建模计算结果，该系统利用重力水箱进行角度平衡时的角度偏差低至±3°；该系统的发电量预计可比采用固定支架的提升21%～35%，该值与采用电机驱动的水平单轴跟踪支架提升17%～30%的水平相仿。

3)实现了农业灌溉、光伏跟踪支架追日及光伏组件清洗功能三合一。将灌溉管路、重力水箱和光伏组件清洗管路集成共用1 套水系统，实现了三重功能合一，并且成本低于“一般灌溉系统+常规光伏跟踪支架+光伏组件自动清洗系统”，从而可充分利用水资源。光伏装机容量为1 MW 的该系统预计可灌溉30 亩农田。

4 农业灌溉光伏水跟踪发电系统的研究现状及前景预测

4.1 研究现状

由于农业灌溉光伏水跟踪发电系统属于新型产品，对于其的研究国内外基本上都处于同一起跑线。该系统的结构简单、成本低廉，效率提升相对较好，适用于纬度低于30°的亚热带及热带地区。目前仅有中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司的泰国光伏EPC 项目采用了类似的研究成果，国内其他单位暂无相关研究。

上述光伏EPC 项目虽然采用的是与本文设计的系统类似的产品，但其存在以下缺点：1)该项目水平单轴跟踪支架多采用跨度达12 m 的大跨度结构，造成结构挠度较大，在转动时存在位移突变的问题；2)排水控制系统采用时间控制，造成太阳方位角和支架跟踪角度无对应关系；3)排水管道较小，易造成排水堵塞，使排水不能按时完成，导致跟踪精度较差；4)无灌溉和组件自动清洗功能。

4.2 前景预测

农业灌溉光伏水跟踪发电系统作为新型产品，还有较大的提升空间；而且其可以基于农业和光伏发电的相关鼓励政策，较好的实现多项功能的结合，提高综合效益。

1)该系统利用水泵向重力水箱供水作为平衡动力，省去了光伏追踪支架的电机驱动部件，节约了动力成本。该系统中的光伏跟踪支架的跟踪精度为±3°，比常见的电机驱动的水平单轴跟踪支架±5°的跟踪精度更高，追日更准确，最终提升了发电量。同时，通过独特的中间立柱设计，该系统中的光伏跟踪支架可比常规光伏跟踪支架多安装2～4 块光伏组件，降低了单位成本。

2)供水系统可用于清洗光伏组件，保证光伏组件不受灰尘和其他异物的影响，长期保持高效的发电状态。

3)该系统除了可以满足光伏跟踪支架追日，还可以用于灌溉光伏组件附近的农田，比单独的农业灌溉系统多增加了发电收入，比单独的光伏发电系统增加了灌溉收益，同时也使采用该系统的农业土地具备了双重用途。

随着我国农业的不断创新和改革发展，“光伏+农业”将会是未来发展的一种主要趋势，而鉴于农业灌溉光伏水跟踪发电系统具备的优势，其不仅能够有效解决我国农业发展长期面临的水资源有效利用问题，还能更好的使光伏发电系统与农业设施结合，增加农产品附加值，在农业经济收益的基础上带来清洁能源收益，带动当地相关产业的发展。

5 结论

本文介绍了一种农业灌溉光伏水跟踪发电系统，该系统引入了新型的制动装置，保证了光伏跟踪支架的跟踪精度和可靠性，并将供水管路扩展用于清洗光伏组件和农田灌溉，实现了追日、组件清洗、农田灌溉3 个功能合为一体，具有明显的经济效益和组合优势；并且在我国还可以作为农田申请用地的开发依据，比单纯光伏发电用地具有更容易审批的优势。农业灌溉光伏水跟踪发电系统具有良好的应用前景。