太阳能在旱井区节水农业中的应用与研究

（山西省水利水电科学研究院 山西太原030002）

0 引言

山西省是全国新型能源和工业基地，也是全国水资源严重匮乏的省份，水资源供需矛盾突出，但是一些采用大水漫灌、畦灌等灌溉方式的地区的水资源的利用率较低，加之部分地区存在能源动力缺乏的问题，导致农业灌溉用水得不到有效解决，在干旱、半干旱的山区，问题尤为突出，因此解决能源动力问题和发展的节水灌溉技术成了当务之急。这也是解决粮食增产、调整农业种植结构、干旱贫困山区脱贫致富等问题的有效途径[1]。

1 项目区概况

本项目实施地选择在山西省忻州市河曲县沙泉乡戏皇村，属于半干旱区。河曲县地势东高西低，东部和西部地势高差达700 m 左右，境内主要是丘陵地带，平均海拔在1 000 m 以上，由于地表破碎，植被稀少，县域内水土流失比较严重。

河曲县气候干寒，年平均气温8.8℃，年降雨量460 mm，无霜期在150 d 左右，全境属于光能资源高值区，年总辐射量在482～600 KJ/cm2之间，年日照小时数在3 000 h 左右。

项目区太阳能资源充足，为本项目的实施推广提供了良好的条件。

2 项目主要解决的问题

项目实施后，主要解决旱井区农业灌溉能源动力、水源、节水灌溉方式、增产等问题，具体如下：

1）在有限的能源条件下，使用半柔性智能光伏水泵抽水灌溉系统，既节省电力资源、安全环保，又能实现自动化控制，无需人员值守。

2）在水资源匮乏地区和有限灌溉条件下，充分利用雨水积蓄解决水源问题，通过膜下滴灌实施节水灌溉，并且提高灌溉水利用系数，起到节约农业灌溉用水的示范作用。

3）水肥一体化技术采用水溶性肥或者液态肥通过水肥同步滴灌，提高肥料利用率，有效提高作物产量。

4）集成集雨、光伏节能、节水灌溉系统、采集系统运行参数，调整系统灌溉效率，提高作物产量。

3 旱井区太阳能抽水灌溉系统

系统集成太阳能光伏供电技术、雨水积蓄利用技术、膜下滴灌节水技术和水肥一体化技术，系统示意图见图1。

图1 旱井区太阳能抽水灌溉系统示意图

3.1 雨水积蓄利用技术

项目示范区位于戏皇村混凝土硬化机耕道路旁，道路宽4 m，道路长约4 000 m，可利用的集雨路面面积达到2 000 m2。集雨池池深3 m，长7 m，宽4 m，总容积84 m3，集雨池结构为导池、过滤池、净水池、导墙、盖板五部分，集雨池净容积达到84 m3，距离池底8 cm 处设有出水孔，池周围覆土夯实，集雨池周围混凝土硬化，外延宽2 m，厚10 cm。

3.2 太阳能光伏技术

太阳电池由五块太阳电池组件串并联而成，吸收日照辐射能量，将其转化为电能，为整个系统提供动力电源。控制器对系统的运行实施控制和调节，将太阳电池阵列发出的直流电通过一系列控制系统驱动水泵作业，并根据日照强度的变化实时地调节输出频率，最大限度地利用太阳能[2]。

本项目采用的太阳能水泵自动控制系统，可以自动控制太阳能水泵的运转，而不需要专人看护，同时系统中还有欠压保护电路，当太阳能光伏板的输出电压不够时，能避免太阳能水泵在欠压状态下运行，进而避免烧坏太阳能水泵。此项技术应用的是山西省水利水电科学研究院的《太阳能水泵的自动控制系统》实用新型专利，专利号：201320820690.6。

3.3 膜下滴管节水

田间膜下滴管采用椎63 PE 为主管路，支管路为椎32 PE，滴灌带管径为椎16 mm，设计工作压力为0.1 MPa，采用“一膜一管两行”的粟米种植方式和滴灌带布置模式，滴管过程平均滴头流量1.38 L/h。

3.4 水肥一体化及过滤器

本项目水源是雨水积蓄，因此在经过集雨池二次沉淀过滤后，水质中还是存在絮状物、颗粒和漂浮物，这对膜下滴灌系统极为不利，因此采用了DYLWY 离心+网式过滤器，设计工作压力0.4 MPa，精度为100 目，结构示意图如图2所示。

图2 LWY 型过滤器示意图

4 灌溉制度设计

旱井区膜下滴管粟米田间试验于2016年5-9月在山西省河曲县沙泉乡戏皇村节水示范点进行。

4.1 净灌水定额

净灌水定额按照如下公式（1）计算，计算结果为20.5 mm。

式中：Mmax——最大净灌水定额，mm；

Z——湿润层深度为30 cm；

γ——土壤容重g/cm3，取1.46 g/cm3；

p——设计土壤湿润比取60%；

θmax——土壤含水率上限，%；

θmin——土壤含水率下限，%。

4.2 灌水周期计算

式中：T——灌水周期；

Ia——设计日耗水强度采用微灌工程技术规范，取5 mm；

η——灌溉水有效利用系数，取值为0.95。

按照公式（2）计算灌水周期为4 d，取设计灌溉周期为4 d，实际运行管理时，需要根据季节调整灌溉周期。

4.3 设计毛灌水定额

4.4 设计一次灌水延续时间

式中：Md——设计毛灌水定额；

Se——滴头间距；

S1——毛管间距；

Qd——滴头的设计流量，L/h；

t——一次灌水延续时间。

4.5 轮灌组数

试验中将编号为A 和B 地块分为两个轮灌组，A地块的大小为0.2 hm2，B 地块的大小为0.19 hm2。

4.6 设计流量

式中：Q——系统设计流量；

qd——滴头的设计流量；

n0——同时工作的滴头个数。

根据设计流量和农户扩大种植面积要求，确定主管PEΦ63，支管PEΦ32，滴灌带为PEΦ16。

5 种植方式及管网布置

粟米种植方式和滴灌带布置方式采用“一膜一管四行”，覆膜宽度50 cm，膜间宽度为50 cm，滴灌带在膜下正中位置，粟米对称布置在两侧，滴头间距为30 cm，滴头流量1.38 L/h。粟米种子为金谷7 号，在5月20日播种，第一次灌溉时间6月10日。

6 试验方案

项目试验的主要目的：试验测定便携式太阳能节水灌溉系统的工作参数和系统的稳定性、可操作性，从而确定其在旱井区推广的价值和意义。

6.1 太阳能光伏水泵试验

本项目采用5 块功率为200 W 的太阳能板组成光伏列阵提供动力能源，连接方式为串联，功率总共为1 000 W。潜水泵采用550 W 的离心泵，潜水泵配备水位传感器。在系统试验中，测定太阳能抽水系统电压和电流参数能否满足灌溉系统的工作要求。

1）系统结构

系统采用自主研发的MPPT 转换技术，可以有效提高光伏阵列的利用率，达到70%以上。采用具有可靠性高的高效三菱IPM 功率模块。数字控制：自动操作和数据采集、存储及有效的保护。LED 显示屏操作面板可检查和设置不同的操作参数，太阳能光伏泵系统结构示意图，如图3所示。

图3 系统结构示意图

2）太阳能光伏水泵的选择

太阳能光伏水泵设备的选定主要由额定功率和扬程有关，且能满足系统工作要求和正常运行，如表1太阳能水泵指标表。

表1 太阳能水泵指标表

经计算，水泵的扬程≧高差+过滤系统的水头损失+管网沿程水头损失+设计工作压力之和（经测量为70 m 水头），选择扬程为75 m 的SJ370 和SJ550 的水泵，经试验SJ370 功率较小，不能满足系统工作要求，因此选择了SJ550 型号太阳能水泵，并对其进行了相应的调试，满足设计扬程和系统工作要求。在实际应用中，需要准确把握过滤器在整个系统的水头损失，且占整个水头损失比重较大。

3）变频控制器

变频控制器主要是控制开关和显示光伏系统输出电压和电流，结构示意图如图4所示。

在试验过程中，太阳能光伏阵列电压和电流的输出效率进行了反复试验，实验结果如表2所示。

在试验过程中，太阳能光伏阵列电压和电流的输出效率进行了试验，实验结果如下：

图4 变频控制器

表2 太阳能光伏系统输出效率试验表

根据试验结果，便携式太阳能节水灌溉系统是变频式，慢加速方式启动，光伏阵列出厂标定的转换效率为75%，在试验中，光伏阵列达到最低转换效率达到71.8%，系统才能启动，最低转换效率才是这套系统的真正的启动加速点；在设备一定的情况下，系统受季节和天气的影响和制约，系统的启动加速点在电压和电流表现值不同，效率转换如公式（5）：

当不满足最低转换效率（启动加速点）要求时，该系统自带有欠压保护系统，可以自动控制太能能水泵的运转，而不需要专人看护，同时系统中的欠压保护电路，在太阳能光伏板的输出电压不够时，能避免太阳能水泵在欠压状态运行，进而避免烧坏太阳能水泵。

6.2 田间灌溉试验

测试内容及方法：在定植前、每次灌水前和各生育期变化时，用土壤墒情测试仪测定0～20、20～40、40～60 cm 不同深度土层土壤含水量（饱墒达到23%以上，低于15%即需要及时灌溉），试验区土壤灌溉湿润率要达到90%以上，测点设在试验小区中心区域，测定时间为每天早上8：00。

由于仪器误差率和操作误差，试验数据去掉最高值和最低值，然后取平均值，以该含水率作为土壤含水率实测值，同时采用烘干法作为校正值，在土壤含水率低于15%时，及时进行灌溉，具体试验数据如表3灌溉前后土壤含水量试验表。

表3 灌溉前土壤含水量试验表

在作物生长期内，依据土壤墒情和作物需水规律，把积蓄的雨水进行最有效分配，提高作物产量和产值；同时膜下滴灌节水灌溉方式抑制土壤水分蒸发，减少地表径流，提高地温，改善了土壤理化性状，真正起到节水增产的效果。

7 小结及存在问题

实验表明旱井区便携式太阳能系统试运行状态良好，满足膜下滴灌节水灌溉流量和工作压力要求，有效解决了旱井区在农业灌溉过程中存在缺水缺电的问题，可以在旱井区和贫困山区扶贫投入资金和设备，大面积推广与示范。

通过实验，系统运行存在以下问题和注意事项：

1）系统由于受到季节和气候的影响，太阳能光伏水泵系统应用时，经过实验，总结出不同季节、不同气候的启动加速点，掌握系统的工作参数，保证系统的顺利运行。

2）过滤器组合方式不同，过滤器水头损失相应也不同，且占整个水头损失比重较大，因此要准确把握过滤器的水头损失。

8 效益及成果

本项目建成旱井区太阳能抽水灌溉推广示范点，项目实施完成后，起到积极示范作用，周边地区发展节水灌溉面积6.7 hm2。雨水积蓄利用、水肥一体化、太阳能光伏技术与膜下滴灌技术的在项目中的结合使用，可为山西省干旱、半干旱地区利用太阳能进行节水灌溉提供技术支撑。在水资源短缺、太阳能资源丰富的干旱、半干旱地区，能够获得较好的经济效益、社会效益和生态效益。

8.1 经济效益

项目使用的光伏水泵虽然一次性投资较大，但其运行费用极低，每方水提水成本与内燃机提水和电力提水相比是最经济的，由于它的运行费用低和少维护或免维护等特点，其水的成本上升很缓慢，5年以后，柴油机水泵的水成本将是光伏水泵水成本的两倍多[3]。

该系统集成了多项先进技术，根据实验取得显著的增产增收效益，增产幅度37%。

8.2 社会效益和生态效益

1）为干旱半干旱地区的灌溉用水提出新的解决办法。

干旱山区充分利用田间地头修建的集雨井、集雨窖、集雨池，大力发展雨水集流工程，结合新的滴灌和管灌节水技术用于灌溉农田，进行点浇点灌；由太阳能技术提供灌溉动力，省水、省电、省力、省时，光伏水泵灌溉系统具有噪声小、稳定性高、维护操作简单、环境污染小，以太阳能为动力，系统全自动运行，可保持推广示范区的生态环境不受任何污染，为新能源和低碳农业的发展奠定基础；系统应用了水肥一体化技术，大幅度提高作物产量，增加干旱山区百姓的经济收入，是干旱山区农业抗旱和脱贫致富新路子。

2）在干旱山区农业综合开发和结构调整提供了水源和技术保证。

膜下滴灌技术、水肥一体化技术、太阳能技术和雨水积蓄技术都是相对成熟的技术，将这种四种技术结合在一起，解决干旱山区农业用水问题，逐步改善干旱山区以种粮为主的局面，可以逐步增加经济作物种植面积，建设大棚种植，调整种植结构，提高作物附加值。对于干旱山区，广泛推广这项集成系统，有利于农业产业结构的调整，改善山区人民的生活质量；在具备一定条件和基础的地区，可以建成集雨、提水、节水系统工程，形成融水土保持、集雨灌溉、科技推广为一体的大型农业示范区。

9 成果应用、推广的前景预测分析

山西是具有丰富的太阳能资源的地区，便携式太阳能抽水灌溉系统示范点的建成，是水利科研工作拓展农村经济发展模式的创新点，为山西省干旱、半干旱贫困地区，特别是无电地区的农业、林业领域的发展，提供了一个可资借鉴的样板，项目技术集成系统具有很好的推广价值。目前，光伏扬水技术在农林业灌溉、禽畜养殖、沙化土地治理、生活供水、城市水景以及海水淡化等领域，都具有良好的推广应用前景。