光伏新能源驅動雨水收集再利用及其在小農場中的應用

謝瑛珂，龔恒翔，廖　飛，張　力，李　建

(1.重慶理工大學 光電信息學院，重慶　400054; 2.重慶市北碚區朝陽小學校， 重慶　400715)

光伏新能源驅動雨水收集再利用及其在小農場中的應用

謝瑛珂1，龔恒翔1，廖飛1，張力2，李建2

(1.重慶理工大學 光電信息學院，重慶400054; 2.重慶市北碚區朝陽小學校， 重慶400715)

摘要：在中國，能源與水資源的缺乏與低效率使用已經成為制約經濟發展的瓶頸。光伏新能源和雨水收集再利用是實現綠色能源應用、水資源保護和“節能減排”目標的有效途徑。將光伏發電技術與雨水收集再利用有機結合，設計了光伏新能源驅動雨水收集再利用系統以實現灌溉，并在重慶市北碚區朝陽小學智慧生態小農場進行了試驗，取得了良好效果。

關鍵詞：光伏；新能源；雨水收集；灌溉；智能化

經過近30年的高速發展，中國的經濟規模已經位居世界第二位，隨之而來的是對能源和資源需求量的快速提高。能源消耗增長率不斷提高，能源供需缺口不斷擴大，使得中國各種能源的對外依存度不斷升高，已經危及我國的經濟安全[1]。光伏新能源是直接把太陽能轉化為電能的新能源，隨著該技術的發展，光伏發電單位功率成本已經達到可接受的水平。預計到2050 年，接近50%的全球電能需求都是通過太陽能方式滿足。中國已經成為全球光伏組件產能和產量最大的國家，但光伏發電量卻不足全國發電量的0.1%，遠低于德國4.5%的水平。因此，中國政府自2013年以來發布了多條促進光伏產業發展的政策、規劃和指導意見，積極推動發展分布式光伏發電[2-3]。水資源是人類賴以生存與發展的重要資源，水資源短缺是當今世界各國共同關注和高度重視的一個全球化問題。中國水資源總量約占全球總量的6%，但人均占有量只有世界平均水平的28%，是一個嚴重缺水的國家，特別是灌溉用水的利用率只有約0.5，而世界先進水平為0.7~0.8[4]。以生產單位國內生產總值(GDP)用水量為指標，每萬美元GDP我國的用水量遠超過發達國家[5]。生活中，大水漫灌現象在很多農村和城市園林中是非常普遍的現象，同時，水環境污染嚴重，導致水生態明顯退化，水質普遍惡化，各種突發性水污染事件頻繁發生。

綜上，積極研發和推廣新能源技術、水資源合理循環利用技術是非常必要和緊迫的任務。就重慶市而言，雖然轄區內有長江、嘉陵江等河流分布，年均降雨量遠高于國內大部分省份，但水資源依然緊缺。典型的例子是我市東部的黔江、秀山、彭水和酉陽等地，為喀斯特地貌密布，雖然年均降水量不少，但由于地質結構特點，不易蓄水，山區生產、生活用水困難。以上地區山高林密、交通困難，電網覆蓋不足，用電的穩定性無法得到保障，采用提灌方式解決生產、生活用水問題存在極大的困難和極高的成本。水資源和電力供應的難題成為阻礙有效改善當地民生問題的重要資源障礙，也為當地生態旅游開發、特色農產品的種養殖和深加工帶來很大的困難。與國外相比，國內通過雨水收集再利用實現灌溉的應用較少，且基本都需要依賴市電來驅動[6-8]。基于此，本文以太陽能為初級能源，通過光伏發電技術將其轉換為電能，驅動雨水回收系統完成自然降水的收集、過濾、儲存和灌溉，完整地展示了光伏發電技術和雨水回收再利用技術的過程，并應用傳感器等電子器件，體現了“智慧農業”的特點。本系統已在重慶市朝陽小學智慧生態農場中建設和應用，為中小學生的科普起到一定的示范作用。

1系統設計

光伏新能源驅動雨水收集再利用系統設計如圖1所示。其中，整個系統由供電系統、雨水收集系統、傳感與控制系統和灌溉系統4個部分構成。

圖1　光伏新能源驅動雨水再利用系統

供電系統采用分布式并網模式，包括光伏陣列、公共電網和并網逆變器。太陽能電池組件光伏陣列通過串聯方式連接。為防止直擊雷和感應雷對整個供電系統的影響，安置了避雷針，并在每路直流輸入主回路內裝設浪涌保護裝置。光伏組件通過并網逆變器把來自光伏陣列輸出的直流電轉換成與電網電力相同電壓和頻率的交流電，并輸送給公共電網。并網逆變器同時提供孤島效應防護最大功率點跟蹤(maximumpowerpointtracking,MPPT)和并網保護等功能。負載供電由公共電網提供。有市電網絡但供電穩定性差的地區可以采用離網市電互補模式，無市電網絡覆蓋地區可以采用離網分布式供電模式產生和提供系統工作電能。

雨水收集系統包括集雨裝置和蓄水池兩部分。集雨裝置以陣列的形式平均分布，實現最大效率的雨水收集，同時根據安裝現場的實際情況對角度、口徑、質量和遮光等問題進行了考慮。收集到的雨水通過軟管流入蓄水池，經沉淀后實現灌溉。雨水的流動通過控制直流泵的開關來實現。在蓄水池安裝液位傳感器來實現水位監控，防止溢流。

傳感與控制系統是保證整個系統有效運行的核心。植物的需水量根據種類、生長階段的不同而存在差異，最適當的灌溉時機是植物剛出現缺水現象的時候。影響灌溉用水量的因素主要有土壤條件、氣象條件和植物栽培條件3種，針對不同的季節和不同的植物種類、栽培密度，采用不同的灌溉方式既可以節省水資源，又可以實現合理有效的灌溉。基于此，采用不同的傳感器完成對空氣環境溫濕度、土壤溫濕度和土壤PH值等參數的實時監控，并通過監控數據來控制灌溉時間和灌溉水量。同時，采用直流閥，針對不同的植物控制灌溉的時間、周期和灌溉水量，做到有的放矢，這是實現有效灌溉的手段之一。因此，各種傳感器接入傳感與控制系統，并通過系統內置處理器實現對直流閥的開關控制和對直流泵開關及轉速的控制，從而實現智能化灌溉。

2光伏新能源驅動雨水收集再利用在農場中的應用

結合重慶市北碚區朝陽小學教學科研用智慧生態小農場進行了光伏新能源驅動雨水收集再利用系統的設計與施工。北碚區朝陽小學位于東經106°18′14″~106°56′53″，北緯29°39′00″~30°03′53″之間，其智慧小農場面積約為45m×45m，圖2所示為小農場俯視圖。北碚地區近50年平均日照時數約為1 117.8h，主要集中在春、夏兩季，全年太陽總輻射量為365kJ/cm2，無霜期達359天，輻射資源在全國屬于Ⅳ類地區[9]。年總降雨量為1 156.8mm，屬于降雨量比較豐富的地區[10]。

太陽能電池組件選用無錫尚德200W多晶硅太陽能組件，標稱功率為200WP，開路電壓為26.2V，短路電流為7.63A。如圖3所示，為減少小農場樹木和周圍建筑物對太陽能電池組件造成遮擋而導致的熱斑效應，防止工程對小農場的破壞，太陽能組件陣列通過金屬桿支撐，距地面2.4m，太陽能電池組件陣列方位角為180°，最佳陣列傾角確定為30°。共安裝12塊太陽能電池板，總功率為2 400WP。

圖2　北碚區朝陽小學智慧生態小農場俯視圖

圖3　太陽能電池組件陣列

并網逆變器采用合肥陽光電源股份有限公司出品的SG2K5TL型無變壓器型并網逆變器，最大輸入功率為2.8kW，額定交流輸出功率為2.5kW，最大功率點跟蹤電壓范圍150~380V，同時具有過壓保護、對地故障保護、孤島效應保護、過載保護和短路故障保護等完善的保護功能，并具有內置逆變采集器和RS485通信接口，可方便地獲取逆變器的運行參數。

集雨裝置頂部口徑過大、整體高度過低，會對地面植物產生遮擋，影響植物的生長環境，但如果設計高度過高則需要增加防傾倒拉鎖等裝置，增加了產品成本以及安全隱患。本系統設計的集雨裝置如圖4所示。整個裝置采用碳鋼材料制作，距離地面高度為2m，內部為中空結構，表面做了防銹處理。裝置頂端有不銹鋼網孔作為頂部濾網，防止落葉污染物掉入堵塞管道。集雨罩殼有直徑1 200mm和400mm兩種，采用倒錐形設計，可以更大效率收集雨水，同時防止遮蓋地面植物，集雨裝置陣列如圖5所示。收集到的雨水通過導水軟管流入蓄水池中。系統共設計有2個蓄水池，根據小農場面積、以往灌溉需水量和灌溉時間，設計每個蓄水池體積為1m3。其中1號蓄水池與集雨裝置連接，對采集到的雨水沉淀過濾，然后通過1個直流泵抽入到2號蓄水池中；2號蓄水池通過1個直流泵與灌溉系統連接。蓄水池中裝有水位傳感器，并設計有自來水旁路，可自動根據蓄水池液位的變化由直流泵實現排水或者通過直流電磁閥實現自來水補水。直流泵采用普蘭迪PLD-1206型微型水泵，工作電壓為DC12V，功率為45 W，水泵可實現平均3.5 L/min的流量，滿足灌溉的供水需求。

圖4　集雨裝置

圖5　智慧生態小農場集雨裝置陣列

為實現長時間、小水量的噴灌，考慮到小農場植物多為花木類植物以及一些農作物，系統設計采用空中噴灑和滴灌兩種方式實現灌溉。其中，空中噴灑覆蓋直徑約為5m，可增加空氣濕度及調節溫度。滴灌圍繞整個農場地面鋪設，灌溉水經過滴嘴以水滴的形式進入土壤，以提高灌溉水的利用率。

光伏新能源驅動雨水收集再利用于2014年10月在朝陽小學智慧生態小農場調試成功，系統運行正常，符合光伏系統并網技術要求[11]，已經在電力部門的許可下并入電網工作。近期運行結果表明：該系統可以滿足對小農場的植物灌溉需求，其示范作用得到了校內外師生的一致好評。下一步將在小農場系統中增加傳感器器件，并根據植物品種和類別，通過中央處理器做到有針對性、高效率的智能化灌溉，進一步實現光伏新能源與“智慧農業”的結合。

3結束語

光伏新能源驅動雨水收集再利用系統是對我國大力倡導的“節能減排”的一種嘗試，該系統實現了自然界中太陽能與降雨的有機結合，既實現了綠色新能源，又實現了節約用水和對水資源的保護。同時，系統在重慶市北碚區市級示范小學朝陽小學智慧生態小農場進行了建設與使用，為普及小學生新能源與水資源知識起到推動作用。通過對學生的展示以及校級間的相互交流，提升了公眾對光伏新能源與“智慧農業”的認識，加深了保護能源與水資源的意識，對未來發展和普及光伏新能源、提高水資源的利用與保護具有一定的積極意義。

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[11]B/T19939—2005.光伏系統并網技術要求[S].北京:中國標準出版社, 2005.

(責任編輯劉舸)

收稿日期：2015-01-15

基金項目：重慶市科技攻關計劃項目(cstc2013yykfA0223)；重慶市巴南區科技局資助項目(2012Q125)；重慶市科學技術委員會應用技術開發項目(cstc2012gg-yyjs90009)

作者簡介：謝瑛珂(1979—)，男，四川富順人，碩士，講師，主要從事光伏新能源及其應用研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.012

中圖分類號：TK01

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2015)07-0065-04

InvestigationandApplicationofPhotovoltaicEnergyDriveRainwater
CollectionandReuseinaSmallFarm

XIEYing-ke1, GONG Heng-xiang1, LIAO Fei1, ZHANG Li2, LI Jian2

(1.CollegeofOpticalandElectronicInformation,

ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China;

2.ChongqingBeibeiChaoyangPrimarySchool,Chongqing400715,China)

Abstract:The shortage and waste of energy and water resource have already become the bottleneck of restricting economic development in China. Photovoltaic energy and rainwater collection and reuse are the effective way to realize the goals of green energy application, water resource protection, energy-saving and emission-reduction. A system was designed by combining photovoltaic and rainwater collection and reused to realize irrigation. The system was tested in ecological wisdom small farm of Chongqing Beibei Chaoyang primary school, and good results have been achieved.

Key words:photovoltaic; new energy; rainwater collection; irrigation; intelligentize

引用格式：謝瑛珂，龔恒翔，廖飛，等.光伏新能源驅動雨水收集再利用及其在小農場中的應用[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(7):65-68.

Citationformat：XIEYing-ke,GONGHeng-xiang,LIAOFei,etal.InvestigationandApplicationofPhotovoltaicEnergyDriveRainwaterCollectionandReuseinaSmallFarm[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology:NaturalScience，2015(7):65-68.