太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用研究

傅其昌 施紅如

隨著新一輪能源革命的到來，人類社會進(jìn)入到了一個嶄新的可再生能源發(fā)展時代。為此，加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，已成為世界能源產(chǎn)業(yè)的競爭的焦點，而現(xiàn)在，太陽能發(fā)電行業(yè)已經(jīng)成為國際潮流。光伏的普及已經(jīng)滲入農(nóng)村地區(qū)，近年來興起的“光伏農(nóng)業(yè)”模式就是分布式光伏一種很好的應(yīng)用模式。其中，太陽能光伏提水灌溉工程的建成使用，實現(xiàn)了低水高效的灌溉效果，并由此解決了以往存在的農(nóng)業(yè)灌溉難題。

一、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)概述

首先，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也被稱為光伏能源技術(shù)或太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其是指利用半導(dǎo)體的光電特性，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，該技術(shù)所產(chǎn)生的電能是一種清潔、安全、可再生的能源，且在生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生任何的污染和損害。其清潔程度，也是歐洲能源自主與綠色過渡的關(guān)鍵。同時，太陽能也有“光電集成”的優(yōu)勢，這是其他新能源無法比擬的優(yōu)點。

其次，中國光電行業(yè)協(xié)會表示，中國在過去十年里，太陽能電池的價格已經(jīng)大幅度下降，面板價格下降了90%，安裝費用下降了80%。2020年，國內(nèi)地面光伏發(fā)電項目總投資費用約為3.99元/W，比2019年降低12.3%，預(yù)計到2030年時，該項目的總投資費用將達(dá)到3.15元/W。由此可見，太陽能發(fā)電的成本越低，所帶來的經(jīng)濟效益也就越高。例如，可在魚塘上方架起太陽能板，下方水域養(yǎng)殖魚蝦，從而形成了“上可發(fā)電，下可養(yǎng)魚”的新型發(fā)電方式，以此達(dá)到對太陽能發(fā)電全方位、高效率的綜合利用。且“發(fā)電的魚塘”也是本地的一張旅游名片，吸引了越來越多的外地游客，形成了漁業(yè)、發(fā)電、旅游業(yè)等多個行業(yè)的新發(fā)展格局。因此，該技術(shù)不僅僅是新能源的使用辦法，更重要的是，該技術(shù)可解決諸多領(lǐng)域所遇到的發(fā)展問題，如農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)以及建筑業(yè)等。

二、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢分析

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)前景廣闊，為此需在農(nóng)村地區(qū)大力推廣該技術(shù)。首先，糧食增產(chǎn)、恢復(fù)草地、畜牧養(yǎng)殖的最主要因素是水資源的有效供應(yīng)，從一定程度上說，灌溉用水供應(yīng)的短缺對農(nóng)村地區(qū)的約束比耕地要大得多，因此，在農(nóng)業(yè)用水保障方面，合理提升智能化灌溉系統(tǒng)的運用效果是其關(guān)鍵所在。根據(jù)世界灌溉協(xié)會的資料，我國占全球總耕地18%的灌區(qū)，其糧食產(chǎn)量約為全球40%。所以，為解決糧食產(chǎn)量的問題，其首要任務(wù)即解決農(nóng)業(yè)灌溉問題。而將剩余的太陽能光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為農(nóng)村地區(qū)的可持續(xù)用水，并以此發(fā)揮農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)的優(yōu)勢，其可確保農(nóng)村經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展［1］。

調(diào)查顯示，由于水資源狀況較差，我國有些農(nóng)田都無法得到有效的灌溉。一些農(nóng)田經(jīng)常被洪水淹沒，因為地勢低洼，渠道排水不良，且高岸田的水泵和機井損壞較為嚴(yán)重（可能是因為電費的問題，電灌站僅僅為擺設(shè)），諸多農(nóng)作物得不到有效的灌溉。在此，采用太陽能揚水技術(shù)，既不需要鋪設(shè)電網(wǎng)，也無需解決電費補貼、電網(wǎng)損耗等一系列問題，其不僅提高了農(nóng)業(yè)灌溉效率，也節(jié)省了灌溉所需的成本。可以說，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是目前世界上最主要的綠色能源技術(shù)，也是我國今后能源可持續(xù)發(fā)展的主要方向。而利用太陽能發(fā)電技術(shù)打造出智能化灌溉提水裝置，其是解決電力短缺地區(qū)人畜飲水、灌溉的最佳途徑。該技術(shù)可為電力短缺地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉帶來實實在在的效益［2］。

三、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用措施

（一）自適應(yīng)光伏驅(qū)動智能控制精準(zhǔn)灌溉技術(shù)應(yīng)用

依據(jù)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)所打造的智能自適應(yīng)太陽能智能控制精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)，其在實際應(yīng)用過程中，有效地解決了“四高”的關(guān)鍵共性問題，如高效節(jié)水、高精度、高綜合效益、高智能等，為該地區(qū)實現(xiàn)了高效、高質(zhì)的綠色灌溉應(yīng)用效果，且所取得的社會、經(jīng)濟效益良好，對我國綠色農(nóng)業(yè)設(shè)備建設(shè)做出了杰出的貢獻(xiàn)，并對其產(chǎn)生了重大的影響，具體如下：

1.核心技術(shù)與工藝。采用自適應(yīng)的太陽能電池板發(fā)電，以及驅(qū)動水泵和干深—時域灌溉器等設(shè)備設(shè)施，可為農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域所出現(xiàn)的緊急情況提供電源。在此依據(jù)土壤干深度、水分脅迫時間、灌溉濕度時間等，利用時空水分—肥藥的輪灌休灌技術(shù)，實現(xiàn)了作物、土壤和生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的多維協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，其實現(xiàn)了對農(nóng)作物的減害效果，其中病蟲害、鹽害、農(nóng)化害等，并節(jié)省了水資源與有關(guān)材料，且所產(chǎn)生的效果以多目標(biāo)、多模式的土壤物理化學(xué)性能優(yōu)化與精確灌溉為核心。

2.主要參數(shù)。干深—時域灌水器的工作功率不超過0.8 W；4級干深濕點延遲（0～30min）；精密測量儀測量精度為±2.5%；對有害物質(zhì)的脫除率達(dá)到95%；智能灌溉系統(tǒng)的決策準(zhǔn)確度達(dá)到98%。

3.社會化效率。該技術(shù)與傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)相比，其節(jié)水率為80%，節(jié)約人工40%，節(jié)約肥料50%，病蟲害防治成本降低5%，土壤恢復(fù)能力提高20%，產(chǎn)量提高20%；減少了15%的經(jīng)營費用。同時，通過采取5.5 kW的太陽能水泵，將地表水經(jīng)抽水泵入地下水庫，白天無需使用蓄電池，節(jié)約了施工和維修費用。太陽能水泵全部自動運轉(zhuǎn)，池面高度達(dá)到警戒水位，控制系統(tǒng)能實現(xiàn)水泵的自動排出，水位全開時，自動關(guān)閉。且所使用地區(qū)無需鋪設(shè)電力網(wǎng)，即可達(dá)到綠色、低碳的智能化灌溉效果［3］。

（二）智能光伏提水灌溉技術(shù)應(yīng)用

1.核心技術(shù)與工藝。太陽能光伏提水系統(tǒng)主要包括太陽能光伏組件、控制器、光伏水泵等，太陽能電池是一種可以將太陽輻射能量轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。該控制器是一種將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能，并可對水泵進(jìn)行變頻控制，并完成最大功率點的跟蹤；光伏泵是一種多段式離心泵，其優(yōu)勢為工作區(qū)域?qū)拸V，并配有專門的太陽能驅(qū)動裝置。整體來看，智能光伏提水灌溉技術(shù)是一種非常經(jīng)濟、不耗電、機動靈活、不需要人工管理，即可進(jìn)行自動化的作業(yè)的節(jié)水灌溉設(shè)備［4］。

2.使用優(yōu)勢。太陽能光電提水設(shè)備具有重量輕、操作靈活、適用范圍廣、經(jīng)濟性好等特點。這不僅是偏遠(yuǎn)地區(qū)用水的主要方式，同時，也是其他區(qū)域的理想供水技術(shù)。

3.技術(shù)應(yīng)用案例。梨樹坪村是雙河鄉(xiāng)唯一一個貧困村，耕地多在半山腰，為了解決農(nóng)民們挑水的難題，可在該地區(qū)引進(jìn)太陽能智能灌溉系統(tǒng)。經(jīng)過實地考察后，需確定安裝地點和面積，然后進(jìn)行鋪設(shè)相關(guān)的管道、噴頭。該設(shè)備可直接連通山下的水源點，而且噴嘴出水均勻，覆蓋面積大。一方面，梨樹坪村的水資源利用效率得到了改善；另一方面，又能有效地緩解貧困地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難的問題，其大大降低了人力、物力和財力的成本。下一步，該系統(tǒng)還將在其他貧困地區(qū)推廣，以此為脫貧產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展提供保障。

綜上，太陽能作為一種新的清潔能源，正日益受到人們的重視和認(rèn)可。近年來，許多國家都將其視為獲得能源的一種重要手段。在我國大多區(qū)域，太陽能資源非常豐富，具有良好的開發(fā)利用條件。為此，應(yīng)積極發(fā)揮太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，以此解決農(nóng)業(yè)灌溉用水難題，此外，太陽能發(fā)電與柴油機抽水方案、新接電網(wǎng)抽水或建設(shè)灌溉渠系方案相比，均有較好的經(jīng)濟效益。因此，應(yīng)積極將該技術(shù)運用于農(nóng)業(yè)水利產(chǎn)業(yè)之中，并達(dá)到糧食增產(chǎn)等戰(zhàn)略目標(biāo)，其對于整個國家的發(fā)展都具有重大的戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義。

注：本文系2022年南通市科技計劃項目——指導(dǎo)性項目《基于太陽位置跟蹤與MPPT一體化的光伏系統(tǒng)研究》（JCZ2022102）。

參考文獻(xiàn)：

［1］鄭宇，蔣輝霞，李光輝，等.一種小型麥冬太陽能灌溉系統(tǒng)設(shè)計［J］.四川農(nóng)業(yè)與農(nóng)機，2021（1）：30，35.

［2］張金珠，王欽，王振華，等.基于太陽能光伏光熱技術(shù)的灌溉水增溫系統(tǒng)試驗［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37（16）：72-79.

［3］高翔. 太陽能光伏技術(shù)的農(nóng)田智能化灌溉系統(tǒng)分析［J］.大科技，2021（23）：323-324.

［4］劉俊萍，許繼恩，李滔，等.太陽能噴灌系統(tǒng)供給能源與水力性能關(guān)系［J］.排灌機械工程學(xué)報，2021，39（6）：637-642.

通訊作者簡介：施紅如（1995-），女，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向光伏發(fā)電。

（作者單位：南通理工學(xué)院）