基于太陽能光伏提灌技術(shù)的提水灌溉系統(tǒng)

駱洪恩 戚小紅

摘 要：我國種植業(yè)的規(guī)模在不斷的擴(kuò)大，通過較為科學(xué)而有效的手段來做好灌溉工作是極為關(guān)鍵的，本文通過利用太陽能光伏提灌技術(shù)來做好日出而作，日落而息光伏自動(dòng)控制提水灌溉工作，首先對于光伏提水灌溉的原理與工作特性進(jìn)行了分析，對其技術(shù)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了探討，然后對于管道輸水技術(shù)、地面灌溉技術(shù)、噴灌技術(shù)、滴灌技術(shù)等進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，最后具體化地設(shè)計(jì)了光伏提水灌溉的方案，為其進(jìn)一步發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：太陽能提灌；光伏提灌；灌溉

中圖分類號(hào)：S277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）14-0235-02

1 引言

隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，具有規(guī)?；瘷C(jī)械化的大面積種植區(qū)成為農(nóng)民致富途徑之一，大面積集中灌溉時(shí)可能會(huì)造成農(nóng)村基礎(chǔ)電網(wǎng)電力負(fù)載差，嚴(yán)重影響農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益和生活質(zhì)量，甚至引起火災(zāi)等不安因素。因此我們利用太陽能光伏提灌發(fā)電技術(shù)做好自動(dòng)灌溉工作，使其能夠提升工作效率，降低成本。通過分散控制與集中管理的方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使各個(gè)子系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)支持下集中管理，從而擁有著相對完整的太陽能光伏提灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 太陽能光伏提灌能源技術(shù)分析

2.1 太陽能光伏提灌提水原理

太陽能光伏提灌主要是依靠光伏傳感器等組件來使得太陽能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行電力供應(yīng)，然后把電能輸入到逆變控制配電系統(tǒng)，為整個(gè)光伏提灌系統(tǒng)提供動(dòng)力電源，太陽能光伏提灌系統(tǒng)一般包括光伏電池板、逆變控制、匯流箱、蓄水池、高性能光伏水泵等組成重要設(shè)備，在發(fā)電過程當(dāng)中，光伏電池板把光能轉(zhuǎn)換為電能，然后經(jīng)過逆變穩(wěn)壓變成交流電進(jìn)行輸出，帶動(dòng)高性能光伏水泵工作，太陽能光伏提灌可以用分布式的安裝方式來進(jìn)行建立，使其對于現(xiàn)有的配電并網(wǎng)進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)功能，可以直接為用戶進(jìn)行電能的供應(yīng)，也能進(jìn)行電能的存儲(chǔ)；目前光伏提水采用先進(jìn)技術(shù)交直流光伏水泵，能有效滿足因電力短缺、水資源供應(yīng)不足的偏遠(yuǎn)地區(qū)的家庭提供安全高效的供水解決方案，應(yīng)用范圍包括荒山治理、草場灌溉、人畜飲用水、農(nóng)作物灌溉、生態(tài)保護(hù)區(qū)環(huán)境改善治理等方面。

2.2 太陽能光伏提灌提水的工作特性

光伏發(fā)電是利用太陽光來進(jìn)行發(fā)電的，因此其容易受到周圍環(huán)境的影響，比如氣候、溫度、環(huán)境、時(shí)間等，所以它在發(fā)電的過程當(dāng)中可能有以下幾個(gè)特點(diǎn)，第一，光伏發(fā)電的效能波動(dòng)較為嚴(yán)重，因?yàn)楣夥l(fā)電系統(tǒng)由于其所處的狀態(tài)不同，就可能會(huì)使得太陽的光照有效面積不同，晴天光照比較充足，但是在陰天就沒有足夠的光照能夠支持發(fā)電或電池板有遮擋物產(chǎn)生熱斑效應(yīng)，這就使得發(fā)電效率波動(dòng)性較大，無法獲得持久的能源供應(yīng)；第二，太陽能水泵逆變控制系統(tǒng)根據(jù)日照強(qiáng)度的變化調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使輸出功率接近太陽電池陣列的最大功率；當(dāng)日照很充足時(shí)，保證水泵的轉(zhuǎn)速不超過額定轉(zhuǎn)速；當(dāng)日照不足時(shí)，根據(jù)設(shè)定最低運(yùn)行頻率是否滿足，自動(dòng)停止運(yùn)行，達(dá)到設(shè)定頻率自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行；第三，光伏提灌的發(fā)電技術(shù)已經(jīng)完全走向成熟，太陽能光伏提灌系統(tǒng)最深可抽取深達(dá)300多米的地下水，在荒山治理中可輕易地將水提上一仟多米的山上，能夠有效地解決荒山治理、生態(tài)環(huán)境改善、作物灌溉、人畜飲用等多個(gè)領(lǐng)域的供水問題。與傳統(tǒng)的供水方式相比實(shí)施更加簡單，無需支付高昂的費(fèi)用來架設(shè)供電網(wǎng)絡(luò)或者配置發(fā)電設(shè)備及后期高昂的運(yùn)行費(fèi)用，更不必?fù)?dān)心因此而帶來的環(huán)境污染。

2.3 太陽能光伏提灌技術(shù)原則

太陽能光伏提灌系統(tǒng)應(yīng)該將現(xiàn)階段所具備的系統(tǒng)資源最大限度的整合，使得太陽能光伏提灌遠(yuǎn)程控制技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備最大限度利用起來，將信息數(shù)據(jù)予以有效共享，樹立實(shí)用與經(jīng)濟(jì)理念，預(yù)防出現(xiàn)重復(fù)建設(shè)。受到科技發(fā)展迅速的影響，加之工廠不斷擴(kuò)大的規(guī)模，建設(shè)的太陽能光伏提灌系統(tǒng)必須將眼光放在將來，基于實(shí)戰(zhàn)的考慮，新建的系統(tǒng)應(yīng)和擴(kuò)展、更新、調(diào)整的需要相適應(yīng)，能夠兼容別的系統(tǒng)，擁有可持續(xù)發(fā)展能力。系統(tǒng)的特殊性使其逆變控制系統(tǒng)存在著更高的安全性要求，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中，應(yīng)該將系統(tǒng)連接、安全隔離與過濾信息等安全措施考慮進(jìn)來，從而為逆變控制系統(tǒng)安全提供保證。

3 太陽能光伏提水灌溉系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 太陽能光伏提灌管道輸水技術(shù)

通過太陽能光伏技術(shù)可以將地下管道可以的將水資源進(jìn)行輸送，減少蒸發(fā)損失與泄漏損失，同時(shí)其成本較低，施工較快，因此受到了極為廣泛的關(guān)注，這將是我國的主要灌溉方式。地面灌溉是我國的灌溉主要方式，我國灌溉面積95%以上采用地面灌溉。根據(jù)地面灌溉水的輸送方式，可以有以下幾種劃分：畦灌：畦灌是用田埂將灌溉土地分隔成一系列小畦。灌水的時(shí)候把水引入，利用重力作用來，對于田地里的作物進(jìn)行濕潤。溝灌：通過開發(fā)水道的方式，把水引入比較小的溝渠來對土壤及作物進(jìn)行濕潤，這樣可以顯著的提升水資源利用率。淹灌：把水源放在較高的位置，對作物進(jìn)行灌溉，通過利用大量水資源的方式，建立一定的水層，但是這樣的缺點(diǎn)是比較費(fèi)水。漫灌：讓水資源自由的流動(dòng)，通過重力作用來對于土壤和作物進(jìn)行濕潤，這樣的水資源浪費(fèi)是比較嚴(yán)重的，因此一般不采用這樣的方法。

3.2 太陽能光伏提灌地面灌溉技術(shù)

（1）小畦“三改”灌水技術(shù)。三改——長畦改短畦、寬畦改窄畦、大畦改小畦。能夠較好的進(jìn)行灌溉，對于水資源的減少效果較好，同時(shí)可以減輕營養(yǎng)的流失作用，讓土壤不再板結(jié)。對于土壤的鹽堿化的預(yù)防，也有著極為關(guān)鍵的意義。（2）膜上灌灌水技術(shù)。膜上灌是我國主要的灌溉技術(shù)，主要是通過地膜的方式，將水資源進(jìn)行灌溉與濕潤，這樣做的好處是可以提升地面的溫度，讓雜草的生長得到抑制，能夠使得作物的產(chǎn)量提升，灌溉質(zhì)量較高，也可以保證肥力，有利于實(shí)現(xiàn)輪作制度。（3）涌流灌溉技術(shù)。通過間歇放水的方式，讓水的利用率提升，同時(shí)水流的速度可以加大，這樣就能大大提升田間水的利用率，達(dá)到了80%以上。

3.3 太陽能光伏提灌噴灌技術(shù)

噴灌是利用太陽能光伏直驅(qū)高壓水泵把水加壓，進(jìn)行噴灑，這樣就能使得水變成小水滴，實(shí)現(xiàn)均勻的噴罐，提升水資源的灌溉效率。

（1）噴灌的優(yōu)點(diǎn)：比較節(jié)約水資源，能夠提升產(chǎn)量，成本較低。（2）噴灌的不足：容易受到風(fēng)力的影響，能耗比較大。（3）噴灌系統(tǒng)的組成：通常由水源工程、光伏直驅(qū)水泵、輸配水管道系統(tǒng)、噴頭以及附屬設(shè)備、附屬建筑物組成。（4）噴灌系統(tǒng)的分類：根據(jù)設(shè)備組成分為：管道式噴灌系統(tǒng)、機(jī)組式噴灌系統(tǒng)。

3.4 太陽能光伏滴灌技術(shù)

太陽能光伏滴灌是利用于太陽能發(fā)電驅(qū)動(dòng)水泵工作，將水源變成細(xì)小的水流，來進(jìn)行濕潤性的灌溉。滴灌主要是以低壓管道來進(jìn)行操作的，能夠讓植物需要的養(yǎng)料與水進(jìn)行均勻的噴灑，使得水資源通過重力作用來滋潤作物，使得其既不缺水也不缺養(yǎng)分，這樣有利于實(shí)現(xiàn)局部性的高效灌溉，因?yàn)樗蔚牧髁勘容^小，這樣就能導(dǎo)致植物的灌溉時(shí)容易出現(xiàn)飽和的情況，能夠讓其高效的利用水資源和其他養(yǎng)分，使得水資源和養(yǎng)分的利用率都能大大提升，因此這是灌溉的一個(gè)重要發(fā)展方向。

（1）滴灌的優(yōu)點(diǎn)：節(jié)水效率高，同時(shí)節(jié)約能源。（2）滴灌的缺點(diǎn)：對于管道和水質(zhì)的要求比較高，同時(shí)要注意因?yàn)橛袪I養(yǎng)元素在里面，要保證管道不容易被腐蝕。（3）滴灌系統(tǒng)的組成：滴灌系統(tǒng)由水源、首部控制樞紐、輸配水管網(wǎng)、滴水器以及流量、壓力控制部件和量測儀表等組成。

滴灌在我國目前有著極為廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于田間作物，它可以利用于各種條件下的土壤，同時(shí)有利于實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的灌溉，但其缺點(diǎn)主要在于流速太慢，灌溉速度效率太低，雖然其對水資源的利用率較高，植物的吸收養(yǎng)分的程度也較高，但是容易出現(xiàn)堵塞的情況。

滴灌主要有以下幾種形式：

①固定式地面滴灌。把管道和噴頭都進(jìn)行固定，在整個(gè)的作物種植期間都不進(jìn)行移動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)在于不需要人進(jìn)行操作、比較方便，但是缺點(diǎn)在于出現(xiàn)故障時(shí)要進(jìn)行大規(guī)模的更換，同時(shí)對于其他的農(nóng)業(yè)操作也就有著較為嚴(yán)重的影響，管道腐蝕以后更換難度較大。②半固定式地面滴灌。把管道進(jìn)行固定，探頭的位置可以進(jìn)行調(diào)整，投資較低，但是這樣就會(huì)使得噴頭容易出現(xiàn)損壞的情況，因此沒有得到廣泛的應(yīng)用。③膜下滴灌。通過地膜來遮擋一些毛管，這樣就能使得蒸發(fā)量較低，使得水資源的利用率大大提升，同時(shí)這樣可以讓植物對于養(yǎng)分的吸收更加的充足，是我國滴灌的重要發(fā)展方向。④地下滴灌。把所有設(shè)備全部放入地下，這樣就能避免其他農(nóng)業(yè)工作對于其的干擾，同時(shí)這樣可以讓其壽命增加，但是缺點(diǎn)在于如果出現(xiàn)問題的話，不容易被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)成本較高，需要對于埋入地下的管道采用較好的材料，否則容易出現(xiàn)故障。

4 太陽能光伏提灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

太陽能光伏提灌系統(tǒng)是由太陽能電池板及逆變控制器、匯流箱、蓄水池、光伏水泵、控制系統(tǒng)、輸水管道等組成。系統(tǒng)的工作過程為太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。根據(jù)計(jì)算單位面積單位時(shí)間內(nèi)灌溉所需要的能量來確定本系統(tǒng)選擇器件的主要參數(shù)。

4.1 太陽能電池板

太陽能電池板的作用是將太陽能轉(zhuǎn)化電能，太陽能電池板分為多晶硅太陽能電池板和單晶硅太陽能電池板；根據(jù)灌溉面積及周期，計(jì)算得出每天需要能量，再根據(jù)太陽能電池板的壽命周期，尺寸，能量轉(zhuǎn)化率選擇太陽能電池板。太陽能逆變器控制器是協(xié)調(diào)太陽能電池板及負(fù)載工作的重要部件。

4.2 水泵逆變控制技術(shù)

太陽能光伏提灌系統(tǒng)是一種高效率的太陽能供水系統(tǒng)，太陽能電池板、水泵匹配選擇與逆變器控制系統(tǒng)是將太陽能輸出直流電轉(zhuǎn)化為交流電，供給水泵使用；在逆變電源中，負(fù)載特性在很大程度上決定了電源輸出電壓的調(diào)制方式，為了獲得比較理想的正弦波輸出，逆變器通常采用正弦脈寬調(diào)制方式；逆變控制系統(tǒng)是根據(jù)需要來智能控制水泵的工作頻率，逆變器保護(hù)包括過壓和欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過溫保護(hù)、欠頻保護(hù)、水干保護(hù)、水滿保護(hù)、延時(shí)保護(hù)、智能故障保護(hù)等先進(jìn)模式。實(shí)現(xiàn)不同揚(yáng)程下，流量與能量之間的自動(dòng)平衡；該控制系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)提水系統(tǒng)效率及能源利用率較低的缺點(diǎn)，在同等提水需求下極大地減小了太陽能電池板的功率，使系統(tǒng)成本大幅降低，同時(shí)降低了用戶購買使用門檻。

5 結(jié)語

太陽能光伏提灌系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中必須確保擁有相應(yīng)的前瞻性，借助成熟、先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，在保證性價(jià)比高的前提下，選取可靠成熟的技術(shù)方法與中高端設(shè)備，使開發(fā)出來的太陽能光伏提灌系統(tǒng)科技含量在整個(gè)光伏提水灌溉系統(tǒng)行業(yè)中處于先進(jìn)位置，處于合理性價(jià)比條件處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

參考文獻(xiàn)

[1]楊智，葛俊榮，李廷貴.斯里蘭卡光伏智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)初探[J].科技風(fēng)，2017，（16）：234.

[2]杜鵬.農(nóng)用光伏灌溉發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國農(nóng)業(yè)信息，2015，（13）：102.

[3]李星宇.基于太陽能驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長春工業(yè)大學(xué)，2015.

[4]唐雪，劉偉，張鍔.基于光伏發(fā)電的農(nóng)村灌溉木耳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014，（21）：256-257.

[5]何中凱，崔永峰，王沖，祝偉，王豐.光伏發(fā)電系統(tǒng)在沙漠公路防護(hù)林灌溉中的應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2012，2（12）：46-49.