基于太阳能光伏发电提水微润管自动灌溉发展模式

金建新，桂林国，何进勤，尹志荣，徐宝山

(1.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750004；2.甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门 735211)

近年来，随着水资源日益贫乏，而农业又是用水大户，发展节水农业提高农业水资源利用率就成了重中之重。目前，部分地区实施电力提灌工程，对高位置灌区进行提水灌溉，由于农业用水用电的投入加大，致使灌区经济效益受到一定影响。西北地区水资源匮乏但是光能资源丰富，可以通过光伏发电技术充分利用光能资源[1]，通过光伏发电与微润管节水灌溉技术相结合，缓解区域资源紧缺矛盾。因此有必要对太阳能提水微润管自动灌溉这一新型节水节能灌溉技术进行研究。目前有学者对以太阳能等清洁能源为动力进行灌溉的研究已有不少研究成果，郑和祥[2]等人以集雨系统为水源，将太阳能与滴灌结合起来，并通过实例计算，表明集雨系统、蓄水系统、光伏发电水泵提水系统、温室滴灌系统之间能产生较好的耦合效果，对节约能源和提高灌水效率具有重要意义。因此在甘肃河西等干旱及半干旱地区试验推广太阳能提水微润管灌溉技术，不仅对缓解该地区水资源供需矛盾具有重要意义，而且对发展节水农业和农业水资源高效利用有显著效果。

1 模式组成

基于太阳能光伏发电的微润灌灌溉系统组成大体可以分为5大部分，即太阳能光伏发电和蓄电池、水泵提水装置、田间高位水箱、首部过滤和量测装置、田间输水支管和微润灌灌溉管网5部分。工作原理是通过太阳能光伏发电给水泵提供直流电源动力，将水泵渠道、塘、坝等积水面积的水量送至田间高位水箱，由水箱连续不断地为微润灌管网系统提供水量和一定的水头压力，使微润灌连续出水灌溉。

1.1 田间微润灌管网

田间管道工程主要由微润管为作物根部提供水量，微润管在一定的压力水头下管壁均匀出水，采用地埋式布置，尾部连接排气管用来通水时排气和冲洗。布置时一般使田间管道高于微润管，管内充满水后，管内水分将在土壤水势的驱动下，穿越管壁向土壤迁移，并将微润管埋到作物根部，管内释放的水分直接供给根部吸收，是一种能为作物提供连续供水的高效节水灌溉设施。

1.2 水箱及首部装置

微润管要求设计压力为2.0～2.5 m，考虑各管道及过滤装置等产生一定水头损失，田间水箱高度一般设置为3 m左右，在水箱内部安装水位自控浮子，以自动控制水箱水位上下线，保证田间灌水的连续性以及提供较为稳定的首部水压力。由于微润管对水质要求比较高，一般在首部均设置过滤器和水表，对小型试验过滤器一般用网式过滤器即可，大面积推广可用砂石+离心+网式过滤器组合。对于首部水量控制和量测一般采用旋翼式水表即可。

1.3 光伏发电、水泵提水装置

大田采用低扬程水泵，一般采用6～10 m扬程即可，水泵动力采用蓄电池直流电源，蓄电池考虑到在作物需水高峰期的供水量，一般采用多级电池串联组成，目的是将太阳能发电系统产生的电能转换成直流电。目前太阳能光伏发电技术比较成熟，常用的为硅太阳能电池，其中单硅光伏电池太阳能利用率最高，技术目前也相对成熟，但是其造价比较高，抑制了其大面积推广应用。

太阳能光伏发电板安装根据地区差异，按照太阳辐射角度合理确定，亦可安装成可旋转式的，以提高太阳能利用率，安装方式可以根据太阳能板的数目采用立柱式或者列阵式。

2 系统设计参数计算

系统设计参数计算主要是指计算灌溉定额，确定首部压力及合理铺设长度，计算田间高位水箱容积、水泵实际扬程和流量以及光伏太阳能参数计算等。通过合理准确计算各设计参数，以充分利用太阳能，提供合理设计参数，以提高灌溉效率和灌溉保证率。

2.1 灌水率计算

田间灌水率指单位面积上所需的灌溉净流量，又称为灌水模数。对于大面积控制的首部一般根据不同作物所占的比例和各的灌水定额来计算[3]：

(1)

式中：m为设计灌水定额，mm；γ为土壤湿润层土壤干密度，g/cm3；h为土壤设计湿润深度，cm；β为耕地田间持水率(占干土重)，%；β1、β2分别为以田间持水率为基准的土壤适宜含水量(重量百分比)上限与下限，%，上限为0.85～0.95，下限为0.60～0.65；p为灌水田块实际湿润面积所占比例，%；η为田间水利用率,%。

(2)

式中：q净为灌水率，m3/(s·hm2)；αi为某种作物种植比例，%；mi为灌水定额，m3/(hm2·次)；Ti为灌水延续时间，d。

2.2 水箱容积计算

田间高位水箱可以保证灌溉系统能够连续运行，一般于温室等设施农业可大面积推广应用，水箱容积一般可以通过田间作物耗水规律以及生育期最大耗水量来计算[4]：

(3)

式中：A为单座水箱控制面积，m2；V为高位水箱容积，m3；k为容积系数，一般是指降雨对于灌溉的补充系数，在降雨250～500 mm时，可选择0.55～0.60，小于200 mm可选为0.8以上；q净为灌水率，m3/(s·hm2)；φ为损失系数，损失主要有蒸发、各管道渗漏损失、田间深层渗漏损失等，一般损失系数可选为0.05～0.20。

2.3 水泵性能及各级管道

管道参数可以根据具体水力计算来确定，微润管为直径16 mm的半透膜出水管，其设计出水量在不同压力下一般为3 000～5 000 mL/(m·d)，可以在设计时选择较大值：

(5)

式中：Q为管道流量，m3/s；V为管道经济流速，m/s；d为各级管道管径，m；q为微润管出流量，m3/(m·d)；l为微润管最大长度，m；μ为田间水利用系数，%。

水泵参数可以根据日最大耗水强度与水泵提水极限平衡来确定性能参数，首先要根据水箱控制种植面积和作物特点，要确定耗水强度，计算管道、蒸发等处的损失量确定水泵流量，再根据地形高差、管道水头损失等情况确定水泵工作扬程等。

2.4 光伏太阳能参数计算

首先需要确定太阳能板列阵的工作电压，然后根据水泵的功率和直流蓄电池容量来确定光伏太阳能列阵的功率，最后根据计算得到的太阳能板的容量来确定太阳能电池板的数目，太阳能板阵列工作电压计算公式为[5]：

U=Uf+Ud+U0

(6)

式中：U为太阳能列阵的工作电压；Uf为水泵工作电压；Ud为各处损耗所需的电压；U0为随着太阳光照强度变化而损失的电压。

3 实例设计

以宁夏农林科学院园林场试验示范基地为实验区进行实例计算设计，实验区位于银川市以北约13.5 km处，属典型的荒漠气候，降雨稀少，蒸发量大，风沙多，自然灾害频繁。多年平均降雨量110 mm，多年平均蒸发量2 644 mm，日照时数3 028 h，大于等于10 ℃的积温3 145 ℃，大于0 ℃的积温3 550 ℃，无霜期150 d，最大冻土深115 cm，试验区土质为沙质黏壤土，地下水埋深18～25 m[6]。

3.1 灌水率计算

在试验区选择温室大棚作为设计试验区，长60 m，宽8 m，面积为480 m2，灌溉上下线分别为田间持水量的60%～90%，田间持水率21%(质量含水率)，田间水利用率取为0.9，计算得到的灌溉定额为450 m3/hm2，温室种植辣椒，灌水方式为连续供水，灌水延续时间为90 d，计算得到的灌水率为0.579 6 m3/(d·hm2)。

3.2 水箱容积计算

试验中选择一座大棚作为试验区，于其首部设置一高位水箱作为供水水源，通过田间铺设的微润管持续给田间供水，按照公式(3)计算田间高位水箱容积，计算得到单座水箱容积为21 m3。

3.3 水泵性能及各级管道

试验中微润管间距设置为0.6 m，共计14条微润管，出水量按照4 L/(d·m)计算，支管分两侧控制，每条支管控制7条微润管，每条支管入口处的总流量为0.195 L/s，按照式(4)计算支管管径为14.4 mm，按照PVC管道系列选择直径为16 mm的管道，干管(直接与水箱连接的管道)选择直径为20 mm的PVC管，同时水表、过滤器、空气阀等管件与之配套。

水泵的选择配套主要由水泵流量和扬程确定，水泵的扬程等于抽水损失加井内水泵工作扬程再加管网损失，经过计算为3.6 m。根据系统设计流量和压力选择水泵：流量5.4 m3/h，扬程6 m，参照水泵选型手册选用水泵型号为IS50-32-160B。

3.4 光伏太阳能参数计算

太阳能板阵列工作电压采用式(6)计算， 为15V；要求水泵额定功率和太阳能板功率相配套，IS50-32-160B水泵功率为0.55kW。因此，选择光伏太阳能阵列的功率为0.9kW，选定太阳能电池板的类型为单晶硅，单块太阳能板容量为50W，由此计算太阳能电池数量为18块。

4 结 论

太阳能提水微润管自动灌溉是一种基于微润管连续出水结合太阳能自动提水的一种新型节水灌溉技术，是一种局部灌溉技术，以其管身密集的出水孔出水灌溉，可视其为线源灌溉[7]，并且能根据微润管外部土壤基质势与管内水势差自动出水灌溉，及时补偿土壤水分。太阳能属于具有发展潜力的清洁能源，目前应用技术已比较成熟，利用太阳能发电储存于蓄电池给低压水泵直流供电，根据田间高位水箱水位变化情况自动开闭水泵供水，是一种低耗、省工、高效的节水灌溉新技术。通过微润管田间地埋与露地试验，得到的结论主要有：太阳能提水微润管自动灌溉通过大田地埋试验，结果表明，太阳能自动提水系统中水泵间歇工作，容量为3 000 Ah的蓄电池能满足水泵运行的基本要求，田间高位水箱设置为2 m以上外加水箱水位高度，对于灌区100～150 m的畦田长度或者温室，均能满足；对于井灌区和渠灌区的水质，灌溉首部过滤系统采用砂石+离心+网式过滤器组合，外加微润管末端冲洗管道，能较好地保证微润管在田间不同压力下出水均匀及使用寿命。

[1] 李明刚,王万章,朱二丽,等.太阳能温室滴灌系统设计[J].节水灌溉,2010,(3):47- 49.

[2] 郑和祥,李和平,付卫平,等.基于集雨系统的太阳能光伏提水温室滴灌发展模式[J].灌溉排水学报,2014,33(3):133-136.

[3] 史海滨,田军仓,刘庆华.灌溉排水工程学[M].北京：中国水利水电出版社,2006.

[4] 王世锋,吴永忠．采用太阳能提水的雨水收集系统在我国干旱农牧区的利用分析[J].能源技术,2009,30(4):228-230.

[5] 廉士欢,靳英华,彭 聪.吉林省太阳辐射变化规律及太阳能资源利用研究[J].气象与环境学报,2009,25(3):30-34.

[6] 王文娟,张新民,金建新,等.干旱区春小麦垄作沟灌技术研究[J].干旱区资源与环境,2015,(2):138-143.

[7] 张 俊,牛文全,张琳琳,等.微润灌溉线源入渗湿润体特性试验研究[J].中国水土保持科学,2012,10(6):32-38.