基于太陽能光伏提灌技術的提水灌溉系統

駱洪恩 戚小紅

摘 要：我國種植業的規模在不斷的擴大，通過較為科學而有效的手段來做好灌溉工作是極為關鍵的，本文通過利用太陽能光伏提灌技術來做好日出而作，日落而息光伏自動控制提水灌溉工作，首先對于光伏提水灌溉的原理與工作特性進行了分析，對其技術設計原則進行了探討，然后對于管道輸水技術、地面灌溉技術、噴灌技術、滴灌技術等進行了進一步的分析，最后具體化地設計了光伏提水灌溉的方案，為其進一步發展打下堅實的基礎。

關鍵詞：太陽能提灌；光伏提灌；灌溉

中圖分類號：S277 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0235-02

1 引言

隨著農業科學技術與信息技術的不斷發展，具有規模化機械化的大面積種植區成為農民致富途徑之一，大面積集中灌溉時可能會造成農村基礎電網電力負載差，嚴重影響農民經濟效益和生活質量，甚至引起火災等不安因素。因此我們利用太陽能光伏提灌發電技術做好自動灌溉工作，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計系統結構，使各個子系統在通信網絡支持下集中管理，從而擁有著相對完整的太陽能光伏提灌系統結構。

2 太陽能光伏提灌能源技術分析

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化為電能進行電力供應，然后把電能輸入到逆變控制配電系統，為整個光伏提灌系統提供動力電源，太陽能光伏提灌系統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備，在發電過程當中，光伏電池板把光能轉換為電能，然后經過逆變穩壓變成交流電進行輸出，帶動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行建立，使其對于現有的配電并網進行有效的調節功能，可以直接為用戶進行電能的供應，也能進行電能的存儲；目前光伏提水采用先進技術交直流光伏水泵，能有效滿足因電力短缺、水資源供應不足的偏遠地區的家庭提供安全高效的供水解決方案，應用范圍包括荒山治理、草場灌溉、人畜飲用水、農作物灌溉、生態保護區環境改善治理等方面。

2.2 太陽能光伏提灌提水的工作特性

光伏發電是利用太陽光來進行發電的，因此其容易受到周圍環境的影響，比如氣候、溫度、環境、時間等，所以它在發電的過程當中可能有以下幾個特點，第一，光伏發電的效能波動較為嚴重，因為光伏發電系統由于其所處的狀態不同，就可能會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電或電池板有遮擋物產生熱斑效應，這就使得發電效率波動性較大，無法獲得持久的能源供應；第二，太陽能水泵逆變控制系統根據日照強度的變化調節水泵轉速，使輸出功率接近太陽電池陣列的最大功率；當日照很充足時，保證水泵的轉速不超過額定轉速；當日照不足時，根據設定最低運行頻率是否滿足，自動停止運行，達到設定頻率自動啟動運行；第三，光伏提灌的發電技術已經完全走向成熟，太陽能光伏提灌系統最深可抽取深達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、生態環境改善、作物灌溉、人畜飲用等多個領域的供水問題。與傳統的供水方式相比實施更加簡單，無需支付高昂的費用來架設供電網絡或者配置發電設備及后期高昂的運行費用，更不必擔心因此而帶來的環境污染。

2.3 太陽能光伏提灌技術原則

太陽能光伏提灌系統應該將現階段所具備的系統資源最大限度的整合，使得太陽能光伏提灌遠程控制技術與通信網絡設備最大限度利用起來，將信息數據予以有效共享，樹立實用與經濟理念，預防出現重復建設。受到科技發展迅速的影響，加之工廠不斷擴大的規模，建設的太陽能光伏提灌系統必須將眼光放在將來，基于實戰的考慮，新建的系統應和擴展、更新、調整的需要相適應，能夠兼容別的系統，擁有可持續發展能力。系統的特殊性使其逆變控制系統存在著更高的安全性要求，在設計系統過程中，應該將系統連接、安全隔離與過濾信息等安全措施考慮進來，從而為逆變控制系統安全提供保證。

3 太陽能光伏提水灌溉系統關鍵技術分析

3.1 太陽能光伏提灌管道輸水技術

通過太陽能光伏技術可以將地下管道可以的將水資源進行輸送，減少蒸發損失與泄漏損失，同時其成本較低，施工較快，因此受到了極為廣泛的關注，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。灌水的時候把水引入，利用重力作用來，對于田地里的作物進行濕潤。溝灌：通過開發水道的方式，把水引入比較小的溝渠來對土壤及作物進行濕潤，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，但是這樣的缺點是比較費水。漫灌：讓水資源自由的流動，通過重力作用來對于土壤和作物進行濕潤，這樣的水資源浪費是比較嚴重的，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

（1）小畦“三改”灌水技術。三改——長畦改短畦、寬畦改窄畦、大畦改小畦。能夠較好的進行灌溉，對于水資源的減少效果較好，同時可以減輕營養的流失作用，讓土壤不再板結。對于土壤的鹽堿化的預防，也有著極為關鍵的意義。（2）膜上灌灌水技術。膜上灌是我國主要的灌溉技術，主要是通過地膜的方式，將水資源進行灌溉與濕潤，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，能夠使得作物的產量提升，灌溉質量較高，也可以保證肥力，有利于實現輪作制度。（3）涌流灌溉技術。通過間歇放水的方式，讓水的利用率提升，同時水流的速度可以加大，這樣就能大大提升田間水的利用率，達到了80%以上。

3.3 太陽能光伏提灌噴灌技術

噴灌是利用太陽能光伏直驅高壓水泵把水加壓，進行噴灑，這樣就能使得水變成小水滴，實現均勻的噴罐，提升水資源的灌溉效率。

（1）噴灌的優點：比較節約水資源，能夠提升產量，成本較低。（2）噴灌的不足：容易受到風力的影響，能耗比較大。（3）噴灌系統的組成：通常由水源工程、光伏直驅水泵、輸配水管道系統、噴頭以及附屬設備、附屬建筑物組成。（4）噴灌系統的分類：根據設備組成分為：管道式噴灌系統、機組式噴灌系統。

3.4 太陽能光伏滴灌技術

太陽能光伏滴灌是利用于太陽能發電驅動水泵工作，將水源變成細小的水流，來進行濕潤性的灌溉。滴灌主要是以低壓管道來進行操作的，能夠讓植物需要的養料與水進行均勻的噴灑，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分，這樣有利于實現局部性的高效灌溉，因為水滴的流量比較小，這樣就能導致植物的灌溉時容易出現飽和的情況，能夠讓其高效的利用水資源和其他養分，使得水資源和養分的利用率都能大大提升，因此這是灌溉的一個重要發展方向。

（1）滴灌的優點：節水效率高，同時節約能源。（2）滴灌的缺點：對于管道和水質的要求比較高，同時要注意因為有營養元素在里面，要保證管道不容易被腐蝕。（3）滴灌系統的組成：滴灌系統由水源、首部控制樞紐、輸配水管網、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用，主要應用于田間作物，它可以利用于各種條件下的土壤，同時有利于實現養分的灌溉，但其缺點主要在于流速太慢，灌溉速度效率太低，雖然其對水資源的利用率較高，植物的吸收養分的程度也較高，但是容易出現堵塞的情況。

滴灌主要有以下幾種形式：

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

4 太陽能光伏提灌系統設計方案分析

太陽能光伏提灌系統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、輸水管道等組成。系統的工作過程為太陽能轉化為電能，再由電能轉化為機械能。根據計算單位面積單位時間內灌溉所需要的能量來確定本系統選擇器件的主要參數。

4.1 太陽能電池板

太陽能電池板的作用是將太陽能轉化電能，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；根據灌溉面積及周期，計算得出每天需要能量，再根據太陽能電池板的壽命周期，尺寸，能量轉化率選擇太陽能電池板。太陽能逆變器控制器是協調太陽能電池板及負載工作的重要部件。

4.2 水泵逆變控制技術

太陽能光伏提灌系統是一種高效率的太陽能供水系統，太陽能電池板、水泵匹配選擇與逆變器控制系統是將太陽能輸出直流電轉化為交流電，供給水泵使用；在逆變電源中，負載特性在很大程度上決定了電源輸出電壓的調制方式，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制方式；逆變控制系統是根據需要來智能控制水泵的工作頻率，逆變器保護包括過壓和欠壓保護、過流保護、過溫保護、欠頻保護、水干保護、水滿保護、延時保護、智能故障保護等先進模式。實現不同揚程下，流量與能量之間的自動平衡；該控制系統解決了傳統提水系統效率及能源利用率較低的缺點，在同等提水需求下極大地減小了太陽能電池板的功率，使系統成本大幅降低，同時降低了用戶購買使用門檻。

5 結語

太陽能光伏提灌系統在設計過程當中必須確保擁有相應的前瞻性，借助成熟、先進設計理念，在保證性價比高的前提下，選取可靠成熟的技術方法與中高端設備，使開發出來的太陽能光伏提灌系統科技含量在整個光伏提水灌溉系統行業中處于先進位置，處于合理性價比條件處于國內領先地位。

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