基于太阳能光伏提灌技术的提水灌溉系统

骆洪恩 戚小红

摘 要：我国种植业的规模在不断的扩大，通过较为科学而有效的手段来做好灌溉工作是极为关键的，本文通过利用太阳能光伏提灌技术来做好日出而作，日落而息光伏自动控制提水灌溉工作，首先对于光伏提水灌溉的原理与工作特性进行了分析，对其技术设计原则进行了探讨，然后对于管道输水技术、地面灌溉技术、喷灌技术、滴灌技术等进行了进一步的分析，最后具体化地设计了光伏提水灌溉的方案，为其进一步发展打下坚实的基础。

关键词：太阳能提灌；光伏提灌；灌溉

中圖分类号：S277 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0235-02

1 引言

随着农业科学技术与信息技术的不断发展，具有规模化机械化的大面积种植区成为农民致富途径之一，大面积集中灌溉时可能会造成农村基础电网电力负载差，严重影响农民经济效益和生活质量，甚至引起火灾等不安因素。因此我们利用太阳能光伏提灌发电技术做好自动灌溉工作，使其能够提升工作效率，降低成本。通过分散控制与集中管理的方式设计系统结构，使各个子系统在通信网络支持下集中管理，从而拥有着相对完整的太阳能光伏提灌系统结构。

2 太阳能光伏提灌能源技术分析

2.1 太阳能光伏提灌提水原理

太阳能光伏提灌主要是依靠光伏传感器等组件来使得太阳能转化为电能进行电力供应，然后把电能输入到逆变控制配电系统，为整个光伏提灌系统提供动力电源，太阳能光伏提灌系统一般包括光伏电池板、逆变控制、汇流箱、蓄水池、高性能光伏水泵等组成重要设备，在发电过程当中，光伏电池板把光能转换为电能，然后经过逆变稳压变成交流电进行输出，带动高性能光伏水泵工作，太阳能光伏提灌可以用分布式的安装方式来进行建立，使其对于现有的配电并网进行有效的调节功能，可以直接为用户进行电能的供应，也能进行电能的存储；目前光伏提水采用先进技术交直流光伏水泵，能有效满足因电力短缺、水资源供应不足的偏远地区的家庭提供安全高效的供水解决方案，应用范围包括荒山治理、草场灌溉、人畜饮用水、农作物灌溉、生态保护区环境改善治理等方面。

2.2 太阳能光伏提灌提水的工作特性

光伏发电是利用太阳光来进行发电的，因此其容易受到周围环境的影响，比如气候、温度、环境、时间等，所以它在发电的过程当中可能有以下几个特点，第一，光伏发电的效能波动较为严重，因为光伏发电系统由于其所处的状态不同，就可能会使得太阳的光照有效面积不同，晴天光照比较充足，但是在阴天就没有足够的光照能够支持发电或电池板有遮挡物产生热斑效应，这就使得发电效率波动性较大，无法获得持久的能源供应；第二，太阳能水泵逆变控制系统根据日照强度的变化调节水泵转速，使输出功率接近太阳电池阵列的最大功率；当日照很充足时，保证水泵的转速不超过额定转速；当日照不足时，根据设定最低运行频率是否满足，自动停止运行，达到设定频率自动启动运行；第三，光伏提灌的发电技术已经完全走向成熟，太阳能光伏提灌系统最深可抽取深达300多米的地下水，在荒山治理中可轻易地将水提上一仟多米的山上，能够有效地解决荒山治理、生态环境改善、作物灌溉、人畜饮用等多个领域的供水问题。与传统的供水方式相比实施更加简单，无需支付高昂的费用来架设供电网络或者配置发电设备及后期高昂的运行费用，更不必担心因此而带来的环境污染。

2.3 太阳能光伏提灌技术原则

太阳能光伏提灌系统应该将现阶段所具备的系统资源最大限度的整合，使得太阳能光伏提灌远程控制技术与通信网络设备最大限度利用起来，将信息数据予以有效共享，树立实用与经济理念，预防出现重复建设。受到科技发展迅速的影响，加之工厂不断扩大的规模，建设的太阳能光伏提灌系统必须将眼光放在将来，基于实战的考虑，新建的系统应和扩展、更新、调整的需要相适应，能够兼容别的系统，拥有可持续发展能力。系统的特殊性使其逆变控制系统存在着更高的安全性要求，在设计系统过程中，应该将系统连接、安全隔离与过滤信息等安全措施考虑进来，从而为逆变控制系统安全提供保证。

3 太阳能光伏提水灌溉系统关键技术分析

3.1 太阳能光伏提灌管道输水技术

通过太阳能光伏技术可以将地下管道可以的将水资源进行输送，减少蒸发损失与泄漏损失，同时其成本较低，施工较快，因此受到了极为广泛的关注，这将是我国的主要灌溉方式。地面灌溉是我国的灌溉主要方式，我国灌溉面积95%以上采用地面灌溉。根据地面灌溉水的输送方式，可以有以下几种划分：畦灌：畦灌是用田埂将灌溉土地分隔成一系列小畦。灌水的时候把水引入，利用重力作用来，对于田地里的作物进行湿润。沟灌：通过开发水道的方式，把水引入比较小的沟渠来对土壤及作物进行湿润，这样可以显著的提升水资源利用率。淹灌：把水源放在较高的位置，对作物进行灌溉，通过利用大量水资源的方式，建立一定的水层，但是这样的缺点是比较费水。漫灌：让水资源自由的流动，通过重力作用来对于土壤和作物进行湿润，这样的水资源浪费是比较严重的，因此一般不采用这样的方法。

3.2 太阳能光伏提灌地面灌溉技术

（1）小畦“三改”灌水技术。三改——长畦改短畦、宽畦改窄畦、大畦改小畦。能够较好的进行灌溉，对于水资源的减少效果较好，同时可以减轻营养的流失作用，让土壤不再板结。对于土壤的盐碱化的预防，也有着极为关键的意义。（2）膜上灌灌水技术。膜上灌是我国主要的灌溉技术，主要是通过地膜的方式，将水资源进行灌溉与湿润，这样做的好处是可以提升地面的温度，让杂草的生长得到抑制，能够使得作物的产量提升，灌溉质量较高，也可以保证肥力，有利于实现轮作制度。（3）涌流灌溉技术。通过间歇放水的方式，让水的利用率提升，同时水流的速度可以加大，这样就能大大提升田间水的利用率，达到了80%以上。

3.3 太阳能光伏提灌喷灌技术

喷灌是利用太阳能光伏直驱高压水泵把水加压，进行喷洒，这样就能使得水变成小水滴，实现均匀的喷罐，提升水资源的灌溉效率。

（1）喷灌的优点：比较节约水资源，能够提升产量，成本较低。（2）喷灌的不足：容易受到风力的影响，能耗比较大。（3）喷灌系统的组成：通常由水源工程、光伏直驱水泵、输配水管道系统、喷头以及附属设备、附属建筑物组成。（4）喷灌系统的分类：根据设备组成分为：管道式喷灌系统、机组式喷灌系统。

3.4 太阳能光伏滴灌技术

太阳能光伏滴灌是利用于太阳能發电驱动水泵工作，将水源变成细小的水流，来进行湿润性的灌溉。滴灌主要是以低压管道来进行操作的，能够让植物需要的养料与水进行均匀的喷洒，使得水资源通过重力作用来滋润作物，使得其既不缺水也不缺养分，这样有利于实现局部性的高效灌溉，因为水滴的流量比较小，这样就能导致植物的灌溉时容易出现饱和的情况，能够让其高效的利用水资源和其他养分，使得水资源和养分的利用率都能大大提升，因此这是灌溉的一个重要发展方向。

（1）滴灌的优点：节水效率高，同时节约能源。（2）滴灌的缺点：对于管道和水质的要求比较高，同时要注意因为有营养元素在里面，要保证管道不容易被腐蚀。（3）滴灌系统的组成：滴灌系统由水源、首部控制枢纽、输配水管网、滴水器以及流量、压力控制部件和量测仪表等组成。

滴灌在我国目前有着极为广泛的应用，主要应用于田间作物，它可以利用于各种条件下的土壤，同时有利于实现养分的灌溉，但其缺点主要在于流速太慢，灌溉速度效率太低，虽然其对水资源的利用率较高，植物的吸收养分的程度也较高，但是容易出现堵塞的情况。

滴灌主要有以下几种形式：

①固定式地面滴灌。把管道和喷头都进行固定，在整个的作物种植期间都不进行移动，优点在于不需要人进行操作、比较方便，但是缺点在于出现故障时要进行大规模的更换，同时对于其他的农业操作也就有着较为严重的影响，管道腐蚀以后更换难度较大。②半固定式地面滴灌。把管道进行固定，探头的位置可以进行调整，投资较低，但是这样就会使得喷头容易出现损坏的情况，因此没有得到广泛的应用。③膜下滴灌。通过地膜来遮挡一些毛管，这样就能使得蒸发量较低，使得水资源的利用率大大提升，同时这样可以让植物对于养分的吸收更加的充足，是我国滴灌的重要发展方向。④地下滴灌。把所有设备全部放入地下，这样就能避免其他农业工作对于其的干扰，同时这样可以让其寿命增加，但是缺点在于如果出现问题的话，不容易被发现，同时成本较高，需要对于埋入地下的管道采用较好的材料，否则容易出现故障。

4 太阳能光伏提灌系统设计方案分析

太阳能光伏提灌系统是由太阳能电池板及逆变控制器、汇流箱、蓄水池、光伏水泵、控制系统、输水管道等组成。系统的工作过程为太阳能转化为电能，再由电能转化为机械能。根据计算单位面积单位时间内灌溉所需要的能量来确定本系统选择器件的主要参数。

4.1 太阳能电池板

太阳能电池板的作用是将太阳能转化电能，太阳能电池板分为多晶硅太阳能电池板和单晶硅太阳能电池板；根据灌溉面积及周期，计算得出每天需要能量，再根据太阳能电池板的寿命周期，尺寸，能量转化率选择太阳能电池板。太阳能逆变器控制器是协调太阳能电池板及负载工作的重要部件。

4.2 水泵逆变控制技术

太阳能光伏提灌系统是一种高效率的太阳能供水系统，太阳能电池板、水泵匹配选择与逆变器控制系统是将太阳能输出直流电转化为交流电，供给水泵使用；在逆变电源中，负载特性在很大程度上决定了电源输出电压的调制方式，为了获得比较理想的正弦波输出，逆变器通常采用正弦脉宽调制方式；逆变控制系统是根据需要来智能控制水泵的工作频率，逆变器保护包括过压和欠压保护、过流保护、过温保护、欠频保护、水干保护、水满保护、延时保护、智能故障保护等先进模式。实现不同扬程下，流量与能量之间的自动平衡；该控制系统解决了传统提水系统效率及能源利用率较低的缺点，在同等提水需求下极大地减小了太阳能电池板的功率，使系统成本大幅降低，同时降低了用户购买使用门槛。

5 结语

太阳能光伏提灌系统在设计过程当中必须确保拥有相应的前瞻性，借助成熟、先进设计理念，在保证性价比高的前提下，选取可靠成熟的技术方法与中高端设备，使开发出来的太阳能光伏提灌系统科技含量在整个光伏提水灌溉系统行业中处于先进位置，处于合理性价比条件处于国内领先地位。

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