王文蔚

（江蘇省海安縣新能源業(yè)商會，江蘇海安 226600）

風(fēng)力提水是一種古老的風(fēng)能利用形式，13世紀(jì)已經(jīng)應(yīng)用，例如在荷蘭的歷史上，曾經(jīng)利用風(fēng)車排除沼澤地的積水，保障了全國三分之二的土地免受海水倒灌的威脅。我國也有風(fēng)能利用的技術(shù)，數(shù)百年前江蘇省海安縣已經(jīng)有風(fēng)力提水的記載。風(fēng)力發(fā)電是目前最成熟的可再生能源利用技術(shù)之一，但是由于風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性，大規(guī)模利用風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的沖擊很大，制約了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用。風(fēng)車提水就地利用風(fēng)能，可以擺脫風(fēng)能利用對電網(wǎng)的依賴和制約，也是今后風(fēng)能利用的一個有效途徑。隨著風(fēng)力機(jī)性能的提高，風(fēng)力提水作為一種綠色技術(shù)，具有推廣利用的可行性。本文以江蘇省海安縣利用風(fēng)能提水灌溉水稻田為例，分析風(fēng)車提水灌溉的可行性以及推廣風(fēng)能提水的一些建議。

1 海安縣的風(fēng)能資源和提水灌溉歷史

江蘇省海安縣地處黃海之濱，離長江較近，縣域的北部屬里下河地區(qū)，河港交錯，是有名的魚米之鄉(xiāng)。該縣風(fēng)力資源較為豐富，根據(jù)江蘇省氣象情報資料室提供的資料，1959—1980年海安縣城近郊各月的平均風(fēng)速為3.3m／s，年有效風(fēng)速為3 625h，年有效風(fēng)能密度為108.4W／m2，年有效風(fēng)能為393kWh／m2。在離鎮(zhèn)郊區(qū)3～5km的地域測量，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速比近郊還要增加30%～50%，因此該縣年平均風(fēng)速為4～5m／s，年有效風(fēng)速為4 000～5 000h，屬于風(fēng)力資源較佳區(qū)。

2012年1月11日海安縣氣象站提供的風(fēng)速資料：2009年1—12月月平均風(fēng)速分別為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；年平均風(fēng)速為2.5m／s；年內(nèi)瞬時最大風(fēng)速為22.0m／s。2010年1—12月月平均風(fēng)速分別為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；年平均風(fēng)速為2.4m／s；年內(nèi)瞬時最大風(fēng)速為15.6m／s。2011年1—12月月平均風(fēng)速分別為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；年平均風(fēng)速為2.2m／s；年內(nèi)瞬時最大風(fēng)速為20.3m／s。

豐富的風(fēng)力資源可以作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的動力，海安地區(qū)已有數(shù)百年的風(fēng)車戽水歷史，特別是解放后我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，用戽水灌溉的風(fēng)車也越來越多，鄉(xiāng)村沿河兩岸簇立的風(fēng)車隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，清澈的河水從河里被木制槽筒內(nèi)上下翻轉(zhuǎn)的木板戽上岸來，白花花的水順著渠道流入稻田，那種令人難忘的田園風(fēng)光，成為該縣一道亮麗的風(fēng)景。據(jù)說，這種古老的風(fēng)車在海安從明朝一直沿用到1979年。不過限于當(dāng)時的技術(shù)水平，這些老式風(fēng)車存在許多缺陷，因此逐步被電力灌溉所替代，到了1979年該縣已經(jīng)沒有提水風(fēng)車了。

據(jù)統(tǒng)計，1963年海安縣擁有風(fēng)車7 208臺，擔(dān)負(fù)著全縣一半以上18 667公頃（1hm2＝15畝）稻田的灌溉任務(wù)，每年可節(jié)省用電約980萬kWh，在當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下發(fā)揮了很大作用。根據(jù)當(dāng)時的物質(zhì)條件和科技水平，戽水的風(fēng)車全部是手工制作。風(fēng)車的葉輪一般由6～8片葉片組成，葉輪直徑約為10m，下端離地不到1m。葉輪采用木頭做支架，一旦風(fēng)向發(fā)生變化，只要移動木頭支架就可以使葉輪的迎風(fēng)面面對來風(fēng)。風(fēng)輪葉片采用棉布，用毛竹支撐葉片，葉片可在毛竹上滑動，當(dāng)風(fēng)速變化時通過移動棉布，改變?nèi)~片的受風(fēng)面積，使轉(zhuǎn)速保持在合理范圍內(nèi)，避免風(fēng)車受損。

1982年6月6—16日，在海安縣角斜農(nóng)機(jī)站，對這種風(fēng)車的效率進(jìn)行了實際測量。當(dāng)時選用2臺尺寸一樣（葉輪直徑為2m），安裝高度一樣（葉輪下端離地為5m），兩臺相距50m以上。其中一臺是傳統(tǒng)布質(zhì)風(fēng)車，葉片8片，另一臺是現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)，葉片亦為8片。它們各自拖帶1臺同型號同規(guī)格的單相交流發(fā)電機(jī)，供給同樣大小的負(fù)荷（電燈），用單相電能表記錄240h所用電能，風(fēng)車的效率為20%～25%。

2 風(fēng)力提水技術(shù)的改進(jìn)

水泵的啟動轉(zhuǎn)矩大，用于提水的風(fēng)力機(jī)必須具有較大的風(fēng)能利用系數(shù)和較大的轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)其特點，因此風(fēng)力機(jī)必須采用多葉片組成的葉輪，一般取12～14片，采用現(xiàn)代技術(shù)制造的這種風(fēng)力機(jī)，風(fēng)能的利用效率可以達(dá)到70%左右。

采用風(fēng)力機(jī)提水，當(dāng)水稻生長急需要水時，有可能缺少能啟動風(fēng)車運轉(zhuǎn)的風(fēng)。為了不延誤農(nóng)時，過去的做法是用人力或畜力轉(zhuǎn)動戽水水車進(jìn)行灌溉。不過這種技術(shù)已經(jīng)不適合當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。為了減少風(fēng)力的波動性對發(fā)電量的影響，現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組特別是離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組，可以采用蓄電池組對機(jī)組的發(fā)電進(jìn)行儲存，但是風(fēng)力機(jī)提水如果采用這種方法，除了增加蓄電池組外還必須增加發(fā)電設(shè)備和電動機(jī)等，技術(shù)復(fù)雜，制造成本高，維護(hù)困難，不適合農(nóng)村使用，也違背了風(fēng)力機(jī)提水為了提高效率減少投資直接利用風(fēng)能的原則。

在實際使用中，只要風(fēng)力提水站附近有市電可用，采用電動機(jī)做后備的動力源將是風(fēng)力提水最好的補(bǔ)充辦法。如果沒有這樣的條件，也可以采用柴油機(jī)作為備用動力源。這種互為補(bǔ)充的技術(shù)容易掌握，設(shè)備投資不多，農(nóng)村容易接受。在實際運行中，當(dāng)風(fēng)力足夠大時由風(fēng)力機(jī)單獨帶動水泵提水；當(dāng)風(fēng)力較小時由柴油機(jī)與風(fēng)力機(jī)共同帶動水泵提水；當(dāng)風(fēng)力太小風(fēng)力機(jī)無法運行時由柴油機(jī)單獨帶動水泵提水。柴油機(jī)的啟動以及風(fēng)力機(jī)的接合或分離，可由人工操作也可采用自動化技術(shù)進(jìn)行控制，例如：選用磁粉離合器可以實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)與水泵、或柴油機(jī)與水泵、或風(fēng)力機(jī)加柴油機(jī)與水泵接合（或分離）的柔性操作和軟啟動。選用風(fēng)速傳感器可以感知風(fēng)速大小和變化，通過執(zhí)行電路可以對機(jī)組的運行和切換進(jìn)行自動控制。

相關(guān)資料顯示，該縣平均每千瓦的電灌動力可以灌溉0.65公頃稻田，按每臺風(fēng)力機(jī)灌溉7.4公頃稻田估算，要求風(fēng)力機(jī)的功率相當(dāng)于11.3kW，取12kW。按目前的風(fēng)電設(shè)備市場價格計算，每1 kW風(fēng)力機(jī)的設(shè)備投資約為5 000元，每臺造價約6萬元。1臺12kW的自動偏航模式的風(fēng)力機(jī)配套1臺18.4kW（25馬力）自啟動柴油機(jī)組成一套互補(bǔ)式風(fēng)力提水裝置，投資約7.6萬元，其中柴油機(jī)、水泵、磁粉離合器及其控制電路等約1.6萬元。

每臺風(fēng)車可以灌溉稻田面積為7.4公頃。根據(jù)海安縣農(nóng)機(jī)管理部門提供的資料，2010年海安縣實有水稻面積為37 000公頃，只需5 000臺這樣的風(fēng)車即可滿足全縣灌溉需要。如果以每畝可以節(jié)省電能35kWh計算，每臺機(jī)組每年節(jié)電為3 885kWh，全縣每年可以節(jié)電1 943萬kWh。

3 建議

12kW的風(fēng)力—柴油機(jī)聯(lián)合提水機(jī)組的投資成本為7.6萬元，如果全部要農(nóng)民一次性投入，負(fù)擔(dān)可能大了點。建議政府有關(guān)部門制訂相關(guān)的政策，在推廣風(fēng)力提水技術(shù)的過程中適當(dāng)減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)。一方面，按照國家對大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的補(bǔ)貼和對新能源產(chǎn)品補(bǔ)貼的政策，對提水機(jī)組的建設(shè)進(jìn)行補(bǔ)貼；另一方面，還可以根據(jù)風(fēng)力提水機(jī)組運行的減排效果進(jìn)行獎勵。1臺12kW的風(fēng)力—柴油機(jī)聯(lián)合提水機(jī)組每年可以減少CO2排放3.3 t，從“碳交易”角度出發(fā)，制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策，對農(nóng)民給予一定的減碳補(bǔ)償。