配置光伏抽水系统以高效利用气候资源的计算方法

《Irrigation Science》：Calculation method for configuring a photovoltaic pumping system for the efficient use of climatic resources

　　

光伏（PV）抽水系统对于雨季山区雨养农业区域的雨水收集和灌溉至关重要。然而，在季风气候区，雨季频繁降雨限制了日照可用性，制约了光伏提水系统的效率，凸显了优化光伏农业灌溉技术中气候资源利用的迫切需求。为解决这一问题，研究人员选取了东亚季风典型区域——贵州省作为研究区，并基于气候与农业制度开发了一种光伏农业灌溉配置计算方法。通过对43年（1981–2023）气候数据和农业系统的分析，揭示了以下内容：1. 区域降水集中在4月至9月，占全年总降水的70%，而峰值日照时数（PSH）从4月至10月占全年总PSH的63%。降水和太阳辐射呈现典型的干湿交替模式，导致降雨、日照和农时之间出现错配。因此，光伏农业灌溉需要独立储存太阳能和雨水。2. 每年的雨季包含多个降雨–日照周期，每个周期构成光伏抽水系统的一个运行时段。通过量化43年内每个周期中降雨阶段的降水量和日照阶段的PSH，这些参数作为配置计算方法的核心输入，实现了气候资源的高效利用。3. 在三个场地的实地测试表明，采用该算法配置的光伏抽水系统在连续三个雨季中实现了>90%的集水-存储效率，且在不同周期、降雨强度或地点下性能无显著变化。

**论文解读：基于气候资源高效利用的光伏抽水系统配置计算方法**

**研究背景与问题**
全球农业灌溉对可持续能源需求日益增长，光伏（PV）技术成为重要解决方案。中国南方山区以山地和丘陵为主，耕地破碎且高差大，雨水收集灌溉是主要农业水源。然而，这些区域受季风气候显著影响，夏季高温多雨、冬季寒冷干燥，雨季频繁降雨导致日照时长短、太阳辐照度低（通常55–85 W/m²，远低于北方地区的130–175 W/m²），严重制约了光伏抽水系统的效率。现有研究虽从能量平衡、灌溉需求、技术经济分析及人工智能算法等角度探索光伏抽水系统设计，但普遍缺乏对气候资源（尤其是降水与日照）的系统性利用。在季风影响的山区雨养农业中，降雨与日照频繁交替：丰沛降雨需要高效提水，但日照不足限制能源供给。因此，亟需开发一种将气候资源纳入系统设计、优化水能与储能配置的计算方法。

**研究内容与意义**
研究人员选取中国贵州省（典型喀斯特山区雨养农业区，受东亚季风影响，多云寡照、干湿季分明）为研究区，基于1981–2023年43年气象数据与农业物候数据，分析了降水、日照与作物生长周期的时空匹配关系，建立了基于气候资源高效利用的光伏抽水系统配置计算方法，并通过三个场地（贵阳、黔西、新仁）的三年实地验证（2023–2025年雨季），证明了系统的可靠性与稳定性。该研究发表在《Irrigation Science》，为全球季风区山区雨养农业推广光伏抽水系统提供了理论依据与技术参考。

**关键技术方法**（不超过250字）
1. 长期气候趋势分析：采用Mann–Kendall（MK）检验对84个气象站（含18个农业气象站）的月尺度降水和日照时数进行趋势检测，明确年际与年内变化特征。
2. 气候与农业时序匹配分析：基于FAO Penman–Monteith公式计算参考蒸散量（ET₀），结合作物系数（K_c）得到作物需水量（CWR），并计算灌溉需求（ID）；分析降水、有效降水、峰值日照时数（PSH）与作物生长周期的对应关系。
3. 光伏抽水系统公式推导：基于能量守恒原则，从集水量（q）出发，依次推导电池额定容量（C）、光伏板面积（A）和水泵额定功率（P_r），其中关键气候参数为每个降雨–日照周期（m）内的降水量（P）和峰值日照时数（st_n），通过43年数据统计取众数作为设计值。
4. 实地验证：在三个场地（贵阳、黔西、新仁，分别对应集水面积150 m²、1200 m²、3600 m²）构建系统，连续三个雨季监测低处集水桶与高处储水桶水量，采用纳什–苏特克利夫效率（NSE）、均方根误差（RMSE）及RMSE-观测标准差比（RSR）评估一致性，并分析集水-存储效率（CSE）的差异。

**研究结果**
1. **降水和日照时数全年呈现典型季节性变化**
通过43年月尺度分析，降水集中在4–9月（占全年70%），定义为雨季；日照时数在4–10月占全年64.8%。MK检验显示降水年际无显著增加趋势，但4–9月降水显著增加（UF值超过0.05显著性水平）；日照时数年际略增，4–10月显著增加。降水与太阳辐射呈干湿交替模式，需协调灌溉与抽水管理以储存太阳能和雨水。

2. **降水、日照与灌溉的匹配需要人工管理**
研究区主要作物为油菜（秋冬种）和玉米（春夏种），玉米季平均降水量813.9 mm，有效降水348.4 mm，作物需水量465.2 mm，灌溉需求143.8 mm；油菜季平均降水量401.5 mm，有效降水147.4 mm，作物需水量354.4 mm，灌溉需求251.5 mm。油菜季灌溉需求高于玉米季，需在雨季有效收集雨水供旱季油菜灌溉。

3. **雨季内典型的降雨–日照交替模式**
43年日尺度分析显示，雨季经历多个降雨–日照周期，每个周期包含降雨阶段和晴天阶段。晴天阶段日日照时长1–8小时，其中>4小时占比最高（61%）；连续晴天天数1–25天。降雨阶段为集水关键期，晴天阶段为光伏发电基础。

4. **光伏抽水系统计算方法参数确定**
统计43年雨季每个抽水周期的降水量（P）和峰值日照时数（st_n），由于均值和中位数易受极端值影响导致高估，采用众数作为设计参数，获取贵州省各县域的P和st_n值（表2）。

5. **光伏抽水系统的构建与验证**
基于推导公式，在三个场地配置光伏板面积、电池容量和水泵功率（表3）。三个雨季实地验证：No.1（65个周期）低处集水桶与高处储水桶水量相关系数0.94，NSE=0.88，RMSE=0.52，RSR=0.27；No.2（63个周期）相关系数0.96，NSE=0.86，RMSE=0.62，RSR=0.28；No.3（66个周期）相关系数0.95，NSE=0.87，RMSE=1.55，RSR=0.26。系统可靠地将雨水从低处转移至高处储水桶。

6. **光伏抽水系统跨季节性能分析**
No.2点全年集水32.19 m³，其中雨季29.15 m³，旱季3.04 m³。旱季因昆明准静止锋影响多云寡照，日照不足导致光伏发电无法充分转移雨水，集水效率低于雨季。若满足玉米和油菜灌溉需求，年抽水量可灌溉121 m²耕地（集水面积比3.025），玉米季可灌溉202.7 m²（比5.07），油菜季仅15.08 m²（比0.3），表明系统全年运行但夏秋雨季储水能力更强，可实现雨水资源的时间分配。

**讨论与结论**
讨论部分指出，该配置方法基于山区地形灵活部署集水面，可根据灌溉需求调整系统规模，适用于全球25°N–35°N、30°W–170°E的季风区（如印度北部、尼泊尔、孟加拉国等）。系统成本低（每套600–620美元），年成本仅62美元（占当地居民年均收入2%），且减少化石燃料依赖，具有环境协同效益。不足包括：需增加更多微地形验证点；气候敏感参数需结合气候变化预测调整；与直驱式光伏抽水系统的经济性比较不足；政府政策与金融支持机制需深入研究。

结论部分翻译如下：
在季风气候区，雨季降雨是山区雨养农业的主要灌溉水源。光伏抽水系统是解决这些区域高海拔灌溉需求的关键方案。然而，频繁雨季降雨限制日照可用性，因此在光伏抽水系统设计中需充分考虑降水–日照匹配关系，以实现气候资源高效利用。本研究分析了长期气象与农业灌溉数据，确定了降水–日照–农时的匹配关系，建立了气候资源优化的光伏抽水系统计算方法并验证。主要结论如下：（1）过去43年，研究区降水主要集中在夏秋（呈干湿交替），日照时数冬春低、夏秋高，导致降水–日照模式与农业灌溉需求错配，冬春为灌溉需求高峰期。（2）气候数据揭示雨季包含多个降水–日照周期，降雨间隔为集水阶段，晴天阶段为光伏抽水运行期，每个完整周期构成一个抽水单元。（3）基于能量守恒定律和雨季气候特征，推导了光伏板面积、电池容量和水泵功率的计算公式。通过43年降水–日照周期数据分析，确定了公式中降水量和峰值日照时数的具体值（众数）。（4）三年实地验证证实，该光伏抽水系统在不同周期、四种降雨强度及三个场地均表现出可靠性和稳定性，集水-存储效率>90%，且地点间无显著差异。这表明该方法配置的设备与区域气候特征高度兼容，实现了气候资源高效利用，为全球季风区山区农业提供了可行参考。