鄉村振興背景下光伏提水灌溉技術在農業中的應用研究*
——以廣東云浮地區為例

葉金虎 ， 賴 明

（羅定職業技術學院，廣東 云浮 527200）

云浮位于廣東的北部，丘陵是云浮市主要地貌，多沿山地邊緣發育，在總面積中，山區面積占60.5%，丘陵面積占30.7%，是典型的山區市。山地地勢高，許多山地無法實現水渠自流灌溉；山地分散，東一片、西一片，修建灌溉水渠成本高，通過牽線引電成本高[1]。云浮市年均日照時長約為1 400 h，太陽能資源豐富；同時當地的農業產業比重大，各種水果、中藥材、蔬菜都種植于較分散的山區林地，但由于灌溉條件差，經濟效益不顯著。光伏提水灌溉技術在農業灌溉中優勢明顯，不受地形限制、無需外拉電網、布局規模靈活，是農業現代化灌溉的新途徑[2-3]，有利于改善山地的灌溉條件，提升農產品經濟效益。

1 研究背景

廣東省云浮市羅定市金雞鎮坪塘村，是廣東省省定貧困村。該村很多山地用于種植辣椒、玉米、花生等經濟作物，但是由于地勢高，沒有自流水渠灌溉，絕大部分經濟作物下種后都需要靠人力挑水、澆水，或者臨時牽線引電從下方河道進行抽水灌溉。隨著留守人口老齡化加劇，種植積極性不斷下降，原本種植泰國辣椒可以作為經濟來源的一部分，但是隨著勞動力數量的下降，種植積極性也不斷降低。

為改善山地灌溉條件，課題組在經過多次實地調研后，提出了光伏提水灌溉方案，即將山地下方人工渠的水抽上來灌溉山地。

2 光伏提水灌溉系統設計

人工渠常年有水，垂直方向距離需要灌溉的山地高度落差約20 m～23 m，農業灌溉一般是早上、下午或者晚上進行，但這些時間段太陽輻射強度一般都比較弱。目前，普遍采用的方式是利用蓄電池將白天多余的電能儲存起來，在沒有太陽輻射或輻射強度不大的時候使用，但這種提水方式需要購置較多電池，投資成本高，不利于推廣使用。課題組研究的光伏提水灌溉系統，太陽能板將太陽能轉化為電能，驅動光伏水泵將低位的人工渠中的水抽到高位蓄水塔中[4-5]，在需要灌溉時利用高低落差灌溉或者增壓灌溉。這樣，澆灌時間就不限于有太陽輻射的時間段了。課題組設計的光伏提水灌溉系統由太陽能板、控制器、光伏水泵、蓄電池、蓄水塔、增壓泵、灌溉管網等組成[6]，如圖1所示。

圖1 光伏提水灌溉系統示意圖

2.1 光伏發電太陽能組件

本系統設計采用了3塊同等規格的太陽能光伏板，其規格為：A級單晶硅板320 W功率，工作電壓32.6 V，工作電流9.2 A，為了能夠在日照強度不同情況下提取低位水渠里面的水，將2塊太陽能板并聯使用，并聯的2塊光伏板用于給光伏水泵提供電能；另外1塊用于給蓄電池充電，儲存電能。并聯的2塊光伏板采用標準光伏線、專用光伏MC4接頭，防護等級為IP68，散熱好，損耗低，使用壽命長。

光伏板組件采用固定式安裝，安裝支架采用行業內常用的鍍鋅鋼型材，支架下方固定在水泥墩上。為保證光伏板能最大限度地吸收太陽輻射，光伏板南向安裝，傾角17°。

2.2 控制器

本系統設計采用的控制器為“最大功率點跟蹤”（Maximum Power Point Tracking）控制器，簡稱MPPT控制器。光伏板將太陽輻射能力轉化為電能輸出后，通過控制盒轉換輸出后可以直接控制水泵電機工作或停機。控制器接線盒中設有太陽能板接線端子（輸入）、光伏水泵接線端子（輸出）、水位浮球開關接線端子（控制信號）等。控制器專為太陽能板設計，帶有MPPT功能。當太陽輻射強度達到一定值時，控制器才可以驅動水泵提水至高位水塔。當太陽輻射強度不夠時，水泵處于停止狀態。水泵工作過程中，控制器可以根據太陽輻射強弱自動變頻，從而調節電機轉速。此外，當低位水渠的水位過低（低于光伏水泵進水口）時，控制器將水泵停機，避免電機空轉損壞。

2.3 光伏水泵

光伏水泵型號采用3FLD3-35-24-300直流太陽能水泵，由太陽能板轉換輸出的直流電直接驅動[7]。水泵外徑89 mm，最大流量3 m3/h，最大揚程35 m，工作電壓為24 V，出水口直徑32 mm。其水泵電機為永磁同步電機，泵在0～5 000轉/分之間可以變頻工作，運行效率高，體積小，安裝方便，清理維護簡單。現場測試驗證，水泵在太陽輻射正常的條件下，1.5 h～2 h即可將4 t空水塔完全注滿。

2.4 蓄水塔及灌溉系統

考慮到山地種植作物一般為辣椒、花生、番薯等農作物，灌溉不需要特別頻繁，本系統設計采用4 t不銹鋼立式水塔。水塔內安裝浮球開關，浮球開關信號輸出端連接到控制器的信號端子。浮球開關可以監測水塔的高水位和低水位信號，當水塔內水位不足且太陽輻射強度足夠時，控制器會驅動光伏水泵開始工作，向水塔內抽水。當水塔水位上升至高水位時，浮球開關檢測到水塔水滿的信號，控制器使光伏水泵停止工作。水塔內裝有24 V直流增壓水泵，水泵出口為25 mm，流量可達到8 m3/h，揚程可達24 m。當灌溉管網內壓力不足時，增壓水泵開啟，提高灌溉管網水壓，保證灌溉管網末端水壓。灌溉主管道、分管道均采用PE管，分管道末端接滴灌帶。

3 控制流程圖

光伏提水灌溉控制系統流程圖如圖2所示，當山地有農作物處于生長季需要灌溉時，按下控制器開關，啟動MPPT模式，控制器對太陽能輻射強度進行實時跟蹤。當檢測到陽光強度足夠且水塔水位沒有到達上限水位時，控制器啟動光伏水泵工作，開始向水塔中注水。當注水高度達到水塔上限水位時，控制器切斷光伏水泵電源，停止注水。當水渠水位低于光伏水泵進水口時，控制器將水泵停機，以免水泵燒壞。

圖2 光伏提水灌溉控制系統流程圖

4 性能特點

1）MPPT控制器。光伏水泵控制器具備最大功率點跟蹤技術（MPPT），運行過程中響應速度快[8]。很多時候，云浮地區的日照強度變化比較快，MPPT技術可以大大提高太陽能光伏板的能效利用率。

2）光伏水泵變頻范圍寬。光伏水泵變頻運行時其轉速范圍為0～5 000轉/分，能保證在陽光強度較差的時候也可以工作，從而保證最大限度地利用光伏板轉化的電能。

3）水泵保護功能完善。光伏水泵在運行過程中要有完善的保護系統，如光伏板在不同的太陽輻射下可能出現過壓、欠壓、過流等情況，控制器要能夠調節不同工況下水泵的輸出。此外，光伏水泵電機還需要具備堵轉自停、水源缺水停機、短路保護等功能。

4）高位水塔蓄水蓄能與增壓泵結合使用。水塔安裝位置較高，光伏水泵提水至水塔中蓄水蓄能。水塔設計高度3 m，出水口距離灌溉位置的高度差為2.5 m～4 m，灌溉量不大時，可以直接自流滴灌；當灌溉位置遠、自流水壓小的時候，可以開啟增壓水泵進行增壓滴灌。水塔中滿水后，傍晚或者次日早上農戶灌溉放水后，當日照強度達一定值時，又會啟動光伏水泵提水將水塔注滿，如此循環，若遇到干旱嚴重時節，則不同地塊輪流澆水，亦可滿足使用需求。根據實際種植戶的需要，也可以邊抽水邊澆灌。

5）水塔水位監測。水塔水位設置高、低水位監測功能，當蓄水池水位高于標定的高水位時，光伏水泵停止提水；低于低水位時，恢復提水。水位監測傳感器與光伏板控制器連接，通過水位信號控制光伏水泵的啟動與停止。

6）系統成本低。光伏提水灌溉系統，安裝地點不受限，光伏板、水塔占地面積小，系統造價成本低，本文試驗中的光伏提水系統投入總價不超過一萬元，且后續維護成本非常低。相比于電力泵站、柴油機抽水灌溉等傳統方案來說，投入成本低廉，具有廣闊的推廣應用空間[9-10]。

5 結語

課題組設計的光伏提水灌溉系統，以太陽能為能源，采用光伏水泵提水蓄能，充分利用太陽能這一清潔資源，成本低，安裝布局靈活，經實際使用驗證，明顯解決了現有山地灌溉難題，有效提高了農作物種植效益，提升了農戶種植積極性。云浮地處粵西山區，很多自然村都存在灌溉條件不足的問題，通過推廣光伏提水灌溉技術，可以較低成本地解決農民灌溉難、種植積極性低的問題，原有的荒地面積大大減少。同時，光伏提水灌溉對于促進我國光伏能源產業發展、提升現代種植業水平具有較大戰略意義。