太陽能光伏發電技術在農業智能化灌溉系統的應用研究

傅其昌 施紅如

隨著新一輪能源革命的到來，人類社會進入到了一個嶄新的可再生能源發展時代。為此，加快能源結構轉變，已成為世界能源產業的競爭的焦點，而現在，太陽能發電行業已經成為國際潮流。光伏的普及已經滲入農村地區，近年來興起的“光伏農業”模式就是分布式光伏一種很好的應用模式。其中，太陽能光伏提水灌溉工程的建成使用，實現了低水高效的灌溉效果，并由此解決了以往存在的農業灌溉難題。

一、太陽能光伏發電技術概述

首先，太陽能光伏發電技術也被稱為光伏能源技術或太陽能發電系統，其是指利用半導體的光電特性，將太陽能轉化成電能，該技術所產生的電能是一種清潔、安全、可再生的能源，且在生產過程中不會產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鍵。同時，太陽能也有“光電集成”的優勢，這是其他新能源無法比擬的優點。

其次，中國光電行業協會表示，中國在過去十年里，太陽能電池的價格已經大幅度下降，面板價格下降了90%，安裝費用下降了80%。2020年，國內地面光伏發電項目總投資費用約為3.99元/W，比2019年降低12.3%，預計到2030年時，該項目的總投資費用將達到3.15元/W。由此可見，太陽能發電的成本越低，所帶來的經濟效益也就越高。例如，可在魚塘上方架起太陽能板，下方水域養殖魚蝦，從而形成了“上可發電，下可養魚”的新型發電方式，以此達到對太陽能發電全方位、高效率的綜合利用。且“發電的魚塘”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、發電、旅游業等多個行業的新發展格局。因此，該技術不僅僅是新能源的使用辦法，更重要的是，該技術可解決諸多領域所遇到的發展問題，如農業、養殖業以及建筑業等。

二、太陽能光伏發電技術在農業智能化灌溉系統的應用優勢分析

太陽能光伏發電技術前景廣闊，為此需在農村地區大力推廣該技術。首先，糧食增產、恢復草地、畜牧養殖的最主要因素是水資源的有效供應，從一定程度上說，灌溉用水供應的短缺對農村地區的約束比耕地要大得多，因此，在農業用水保障方面，合理提升智能化灌溉系統的運用效果是其關鍵所在。根據世界灌溉協會的資料，我國占全球總耕地18%的灌區，其糧食產量約為全球40%。所以，為解決糧食產量的問題，其首要任務即解決農業灌溉問題。而將剩余的太陽能光伏系統轉化為農村地區的可持續用水，并以此發揮農業智能化灌溉系統的優勢，其可確保農村經濟的可持續性發展［1］。

調查顯示，由于水資源狀況較差，我國有些農田都無法得到有效的灌溉。一些農田經常被洪水淹沒，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重（可能是因為電費的問題，電灌站僅僅為擺設），諸多農作物得不到有效的灌溉。在此，采用太陽能揚水技術，既不需要鋪設電網，也無需解決電費補貼、電網損耗等一系列問題，其不僅提高了農業灌溉效率，也節省了灌溉所需的成本。可以說，太陽能光伏發電技術是目前世界上最主要的綠色能源技術，也是我國今后能源可持續發展的主要方向。而利用太陽能發電技術打造出智能化灌溉提水裝置，其是解決電力短缺地區人畜飲水、灌溉的最佳途徑。該技術可為電力短缺地區的農業灌溉帶來實實在在的效益［2］。

三、太陽能光伏發電技術在農業智能化灌溉系統的應用措施

（一）自適應光伏驅動智能控制精準灌溉技術應用

依據太陽能光伏發電技術所打造的智能自適應太陽能智能控制精準灌溉系統，其在實際應用過程中，有效地解決了“四高”的關鍵共性問題，如高效節水、高精度、高綜合效益、高智能等，為該地區實現了高效、高質的綠色灌溉應用效果，且所取得的社會、經濟效益良好，對我國綠色農業設備建設做出了杰出的貢獻，并對其產生了重大的影響，具體如下：

1.核心技術與工藝。采用自適應的太陽能電池板發電，以及驅動水泵和干深—時域灌溉器等設備設施，可為農業灌溉區域所出現的緊急情況提供電源。在此依據土壤干深度、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，實現了作物、土壤和生態環境指標的多維協調調節，其實現了對農作物的減害效果，其中病蟲害、鹽害、農化害等，并節省了水資源與有關材料，且所產生的效果以多目標、多模式的土壤物理化學性能優化與精確灌溉為核心。

2.主要參數。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%；對有害物質的脫除率達到95%；智能灌溉系統的決策準確度達到98%。

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

（二）智能光伏提水灌溉技術應用

1.核心技術與工藝。太陽能光伏提水系統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化為電能的設備。該控制器是一種將直流電能轉化為交流電能，并可對水泵進行變頻控制，并完成最大功率點的跟蹤；光伏泵是一種多段式離心泵，其優勢為工作區域寬廣，并配有專門的太陽能驅動裝置。整體來看，智能光伏提水灌溉技術是一種非常經濟、不耗電、機動靈活、不需要人工管理，即可進行自動化的作業的節水灌溉設備［4］。

2.使用優勢。太陽能光電提水設備具有重量輕、操作靈活、適用范圍廣、經濟性好等特點。這不僅是偏遠地區用水的主要方式，同時，也是其他區域的理想供水技術。

3.技術應用案例。梨樹坪村是雙河鄉唯一一個貧困村，耕地多在半山腰，為了解決農民們挑水的難題，可在該地區引進太陽能智能灌溉系統。經過實地考察后，需確定安裝地點和面積，然后進行鋪設相關的管道、噴頭。該設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農業生產難的問題，其大大降低了人力、物力和財力的成本。下一步，該系統還將在其他貧困地區推廣，以此為脫貧產業的良好發展提供保障。

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。在我國大多區域，太陽能資源非常豐富，具有良好的開發利用條件。為此，應積極發揮太陽能光伏發電技術，以此解決農業灌溉用水難題，此外，太陽能發電與柴油機抽水方案、新接電網抽水或建設灌溉渠系方案相比，均有較好的經濟效益。因此，應積極將該技術運用于農業水利產業之中，并達到糧食增產等戰略目標，其對于整個國家的發展都具有重大的戰略和現實意義。

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

參考文獻：

［1］鄭宇，蔣輝霞，李光輝，等.一種小型麥冬太陽能灌溉系統設計［J］.四川農業與農機，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的灌溉水增溫系統試驗［J］.農業工程學報，2021，37（16）：72-79.

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

［4］劉俊萍，許繼恩，李滔，等.太陽能噴灌系統供給能源與水力性能關系［J］.排灌機械工程學報，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，研究方向光伏發電。

（作者單位：南通理工學院）