基于太陽能光伏發電提水微潤管自動灌溉發展模式

金建新，桂林國，何進勤，尹志榮，徐寶山

(1.寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，銀川 750004；2.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

近年來，隨著水資源日益貧乏，而農業又是用水大戶，發展節水農業提高農業水資源利用率就成了重中之重。目前，部分地區實施電力提灌工程，對高位置灌區進行提水灌溉，由于農業用水用電的投入加大，致使灌區經濟效益受到一定影響。西北地區水資源匱乏但是光能資源豐富，可以通過光伏發電技術充分利用光能資源[1]，通過光伏發電與微潤管節水灌溉技術相結合，緩解區域資源緊缺矛盾。因此有必要對太陽能提水微潤管自動灌溉這一新型節水節能灌溉技術進行研究。目前有學者對以太陽能等清潔能源為動力進行灌溉的研究已有不少研究成果，鄭和祥[2]等人以集雨系統為水源，將太陽能與滴灌結合起來，并通過實例計算，表明集雨系統、蓄水系統、光伏發電水泵提水系統、溫室滴灌系統之間能產生較好的耦合效果，對節約能源和提高灌水效率具有重要意義。因此在甘肅河西等干旱及半干旱地區試驗推廣太陽能提水微潤管灌溉技術，不僅對緩解該地區水資源供需矛盾具有重要意義，而且對發展節水農業和農業水資源高效利用有顯著效果。

1 模式組成

基于太陽能光伏發電的微潤灌灌溉系統組成大體可以分為5大部分，即太陽能光伏發電和蓄電池、水泵提水裝置、田間高位水箱、首部過濾和量測裝置、田間輸水支管和微潤灌灌溉管網5部分。工作原理是通過太陽能光伏發電給水泵提供直流電源動力，將水泵渠道、塘、壩等積水面積的水量送至田間高位水箱，由水箱連續不斷地為微潤灌管網系統提供水量和一定的水頭壓力，使微潤灌連續出水灌溉。

1.1 田間微潤灌管網

田間管道工程主要由微潤管為作物根部提供水量，微潤管在一定的壓力水頭下管壁均勻出水，采用地埋式布置，尾部連接排氣管用來通水時排氣和沖洗。布置時一般使田間管道高于微潤管，管內充滿水后，管內水分將在土壤水勢的驅動下，穿越管壁向土壤遷移，并將微潤管埋到作物根部，管內釋放的水分直接供給根部吸收，是一種能為作物提供連續供水的高效節水灌溉設施。

1.2 水箱及首部裝置

微潤管要求設計壓力為2.0～2.5 m，考慮各管道及過濾裝置等產生一定水頭損失，田間水箱高度一般設置為3 m左右，在水箱內部安裝水位自控浮子，以自動控制水箱水位上下線，保證田間灌水的連續性以及提供較為穩定的首部水壓力。由于微潤管對水質要求比較高，一般在首部均設置過濾器和水表，對小型試驗過濾器一般用網式過濾器即可，大面積推廣可用砂石+離心+網式過濾器組合。對于首部水量控制和量測一般采用旋翼式水表即可。

1.3 光伏發電、水泵提水裝置

大田采用低揚程水泵，一般采用6～10 m揚程即可，水泵動力采用蓄電池直流電源，蓄電池考慮到在作物需水高峰期的供水量，一般采用多級電池串聯組成，目的是將太陽能發電系統產生的電能轉換成直流電。目前太陽能光伏發電技術比較成熟，常用的為硅太陽能電池，其中單硅光伏電池太陽能利用率最高，技術目前也相對成熟，但是其造價比較高，抑制了其大面積推廣應用。

太陽能光伏發電板安裝根據地區差異，按照太陽輻射角度合理確定，亦可安裝成可旋轉式的，以提高太陽能利用率，安裝方式可以根據太陽能板的數目采用立柱式或者列陣式。

2 系統設計參數計算

系統設計參數計算主要是指計算灌溉定額，確定首部壓力及合理鋪設長度，計算田間高位水箱容積、水泵實際揚程和流量以及光伏太陽能參數計算等。通過合理準確計算各設計參數，以充分利用太陽能，提供合理設計參數，以提高灌溉效率和灌溉保證率。

2.1 灌水率計算

田間灌水率指單位面積上所需的灌溉凈流量，又稱為灌水模數。對于大面積控制的首部一般根據不同作物所占的比例和各的灌水定額來計算[3]：

(1)

式中：m為設計灌水定額，mm；γ為土壤濕潤層土壤干密度，g/cm3；h為土壤設計濕潤深度，cm；β為耕地田間持水率(占干土重)，%；β1、β2分別為以田間持水率為基準的土壤適宜含水量(重量百分比)上限與下限，%，上限為0.85～0.95，下限為0.60～0.65；p為灌水田塊實際濕潤面積所占比例，%；η為田間水利用率,%。

(2)

式中：q凈為灌水率，m3/(s·hm2)；αi為某種作物種植比例，%；mi為灌水定額，m3/(hm2·次)；Ti為灌水延續時間，d。

2.2 水箱容積計算

田間高位水箱可以保證灌溉系統能夠連續運行，一般于溫室等設施農業可大面積推廣應用，水箱容積一般可以通過田間作物耗水規律以及生育期最大耗水量來計算[4]：

(3)

式中：A為單座水箱控制面積，m2；V為高位水箱容積，m3；k為容積系數，一般是指降雨對于灌溉的補充系數，在降雨250～500 mm時，可選擇0.55～0.60，小于200 mm可選為0.8以上；q凈為灌水率，m3/(s·hm2)；φ為損失系數，損失主要有蒸發、各管道滲漏損失、田間深層滲漏損失等，一般損失系數可選為0.05～0.20。

2.3 水泵性能及各級管道

管道參數可以根據具體水力計算來確定，微潤管為直徑16 mm的半透膜出水管，其設計出水量在不同壓力下一般為3 000～5 000 mL/(m·d)，可以在設計時選擇較大值：

(5)

式中：Q為管道流量，m3/s；V為管道經濟流速，m/s；d為各級管道管徑，m；q為微潤管出流量，m3/(m·d)；l為微潤管最大長度，m；μ為田間水利用系數，%。

水泵參數可以根據日最大耗水強度與水泵提水極限平衡來確定性能參數，首先要根據水箱控制種植面積和作物特點，要確定耗水強度，計算管道、蒸發等處的損失量確定水泵流量，再根據地形高差、管道水頭損失等情況確定水泵工作揚程等。

2.4 光伏太陽能參數計算

首先需要確定太陽能板列陣的工作電壓，然后根據水泵的功率和直流蓄電池容量來確定光伏太陽能列陣的功率，最后根據計算得到的太陽能板的容量來確定太陽能電池板的數目，太陽能板陣列工作電壓計算公式為[5]：

U=Uf+Ud+U0

(6)

式中：U為太陽能列陣的工作電壓；Uf為水泵工作電壓；Ud為各處損耗所需的電壓；U0為隨著太陽光照強度變化而損失的電壓。

3 實例設計

以寧夏農林科學院園林場試驗示范基地為實驗區進行實例計算設計，實驗區位于銀川市以北約13.5 km處，屬典型的荒漠氣候，降雨稀少，蒸發量大，風沙多，自然災害頻繁。多年平均降雨量110 mm，多年平均蒸發量2 644 mm，日照時數3 028 h，大于等于10 ℃的積溫3 145 ℃，大于0 ℃的積溫3 550 ℃，無霜期150 d，最大凍土深115 cm，試驗區土質為沙質黏壤土，地下水埋深18～25 m[6]。

3.1 灌水率計算

在試驗區選擇溫室大棚作為設計試驗區，長60 m，寬8 m，面積為480 m2，灌溉上下線分別為田間持水量的60%～90%，田間持水率21%(質量含水率)，田間水利用率取為0.9，計算得到的灌溉定額為450 m3/hm2，溫室種植辣椒，灌水方式為連續供水，灌水延續時間為90 d，計算得到的灌水率為0.579 6 m3/(d·hm2)。

3.2 水箱容積計算

試驗中選擇一座大棚作為試驗區，于其首部設置一高位水箱作為供水水源，通過田間鋪設的微潤管持續給田間供水，按照公式(3)計算田間高位水箱容積，計算得到單座水箱容積為21 m3。

3.3 水泵性能及各級管道

試驗中微潤管間距設置為0.6 m，共計14條微潤管，出水量按照4 L/(d·m)計算，支管分兩側控制，每條支管控制7條微潤管，每條支管入口處的總流量為0.195 L/s，按照式(4)計算支管管徑為14.4 mm，按照PVC管道系列選擇直徑為16 mm的管道，干管(直接與水箱連接的管道)選擇直徑為20 mm的PVC管，同時水表、過濾器、空氣閥等管件與之配套。

水泵的選擇配套主要由水泵流量和揚程確定，水泵的揚程等于抽水損失加井內水泵工作揚程再加管網損失，經過計算為3.6 m。根據系統設計流量和壓力選擇水泵：流量5.4 m3/h，揚程6 m，參照水泵選型手冊選用水泵型號為IS50-32-160B。

3.4 光伏太陽能參數計算

太陽能板陣列工作電壓采用式(6)計算， 為15V；要求水泵額定功率和太陽能板功率相配套，IS50-32-160B水泵功率為0.55kW。因此，選擇光伏太陽能陣列的功率為0.9kW，選定太陽能電池板的類型為單晶硅，單塊太陽能板容量為50W，由此計算太陽能電池數量為18塊。

4 結 論

太陽能提水微潤管自動灌溉是一種基于微潤管連續出水結合太陽能自動提水的一種新型節水灌溉技術，是一種局部灌溉技術，以其管身密集的出水孔出水灌溉，可視其為線源灌溉[7]，并且能根據微潤管外部土壤基質勢與管內水勢差自動出水灌溉，及時補償土壤水分。太陽能屬于具有發展潛力的清潔能源，目前應用技術已比較成熟，利用太陽能發電儲存于蓄電池給低壓水泵直流供電，根據田間高位水箱水位變化情況自動開閉水泵供水，是一種低耗、省工、高效的節水灌溉新技術。通過微潤管田間地埋與露地試驗，得到的結論主要有：太陽能提水微潤管自動灌溉通過大田地埋試驗，結果表明，太陽能自動提水系統中水泵間歇工作，容量為3 000 Ah的蓄電池能滿足水泵運行的基本要求，田間高位水箱設置為2 m以上外加水箱水位高度，對于灌區100～150 m的畦田長度或者溫室，均能滿足；對于井灌區和渠灌區的水質，灌溉首部過濾系統采用砂石+離心+網式過濾器組合，外加微潤管末端沖洗管道，能較好地保證微潤管在田間不同壓力下出水均勻及使用壽命。

[1] 李明剛,王萬章,朱二麗,等.太陽能溫室滴灌系統設計[J].節水灌溉,2010,(3):47- 49.

[2] 鄭和祥,李和平,付衛平,等.基于集雨系統的太陽能光伏提水溫室滴灌發展模式[J].灌溉排水學報,2014,33(3):133-136.

[3] 史海濱,田軍倉,劉慶華.灌溉排水工程學[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[4] 王世鋒,吳永忠．采用太陽能提水的雨水收集系統在我國干旱農牧區的利用分析[J].能源技術,2009,30(4):228-230.

[5] 廉士歡,靳英華,彭 聰.吉林省太陽輻射變化規律及太陽能資源利用研究[J].氣象與環境學報,2009,25(3):30-34.

[6] 王文娟,張新民,金建新,等.干旱區春小麥壟作溝灌技術研究[J].干旱區資源與環境,2015,(2):138-143.

[7] 張 俊,牛文全,張琳琳,等.微潤灌溉線源入滲濕潤體特性試驗研究[J].中國水土保持科學,2012,10(6):32-38.