光伏储能式虹吸管在山塘治理中的应用初探

梁德高

摘要：从2004年以来，在我国虹吸管得以广泛的应用，但是在治理部分山塘中发现输水管的堵塞和排水能力不足，存在安全隐患。据此，本文探讨了光伏储能式虹吸管在山塘治理中的应用。

关键词：光伏储能;虹吸管;山塘

0  引言

在小型水利工程中，虹吸管被广泛地采用，它是利用虹吸管上段水面的大气压强与下段压力强之间的压力差，将水库水体从坝顶引向下游。由于部分水库山塘地处偏僻，无法应用普通的虹吸管设备，从而对现有的设备进行改进，光伏蓄能虹吸管是利用太阳能光伏发电装置对现有虹吸式放水涵管进行改造，该技术应用前景广阔，值得推广。

1  虹吸管介绍

1.1  虹吸管工作原理

虹吸现象是液体分子间的引力和位能差造成的，是液体分子之间的引力和位能差，即利用水柱压力差使水上升或下降。虹吸进水管是一条利用虹吸作用将河床式取水头引入集水井的管道。由于虹吸高度最大可达7米，因此可大大降低管道的埋深，减少铺设管道的土石方量，加速发展，节约投资，适合河漫滩宽阔，河岸为硬岩，流水线埋入大量土石方，或用于跨越堤坝的需要。虹吸管道必须保证不漏气，对管道和施工质量要求很高，但与自流式进水管相比，其可靠性差。至少要有两个虹吸管，当一个停止工作时，剩下的管子流过管子的流量必须满足事故用水的要求。由于道岔的水面承受不同的大气压力，所以水从压力高的一侧流到压力低的一侧，直到两面大气压力相等，且容器内水面高度相同时，才停止流动。随着液体上升的管子很高，压力下降，从而在管子内产生气泡（由气体或其它构成气体组成），气泡的形成决定了虹吸管的作用高度。由于气泡会使液体破裂，气泡两端的气体分子之间的力下降到0，这就破坏了虹吸作用，所以管道必须充满水。由于双层管口处的气压会增加整个虹吸管的压力，因此在正常的气压下，虹吸管比真空管更有效[1]。

1.2  虹吸管优点

虹吸排水在建筑中的应用非常广泛，现代建筑对其实用性和美观的要求越来越高。虹吸排水系统的优点却十分明显，尤其是在厂房、体育馆、机场、展览馆、高层裙房等跨度较大、结构复杂的屋面，它既可解决传统重力式排水系统难以解决的设计难点，又在节省管材和施工工作量方面有显著优势。虹吸排水系统的横管不需要坡度，屋面雨水斗布设灵活，可减少或减少屋面预留孔，管道可根据设计要求灵活设置，可灵活选择管材，可控制屋面及沟槽内水深，具有快速自净管功能。

1.3  虹吸管常见问题

虹吸管使用中最常见的问题是管路泄漏，泄漏原因如下：地基不牢固，发生不均匀沉降，造成管道节间开裂;管节与涵体接触不紧密，有缝隙漏水，造成渗水;管节在施工过程中，由于外力的作用，管节未完全按规范施工，或者管节之间由于管节间开裂，造成管节本身质量问题，管节因裂缝或缺陷而渗漏;管节在施工过程中，如回填混凝土等，管节在外力的推动下，会变形或出现裂缝。

2  光伏储能式虹吸管介绍

2.1  PV储能简介

PV能通过光伏效应的原理，将太阳辐射能转换成电能。PV能源以其无污染、无噪音、维护费用低、使用寿命长等优点，近年来得到了快速发展。到2015年底，全球太阳能发电装机容量将达到2.3亿kW，比2015年增加20%，增加5300万kW。2006年至2015年，我国光伏发电年增长率在40%以上，是世界上增长最快的能源品种;5年内新增装机400万kW，进入产业化初期发展阶段。截至2015年，全省累计装机86万kW，比2010年增加4318万kW，增长1513万kW，其中全年新增装机居世界第一。东部和西部地区太阳能发电应用逐步形成集中开发、集中布局的格局。要创新发展模式，把农业、养殖业和生态治理有机结合起来，走上规模化、多元化发展的新阶段。

2.2  光伏储能式虹吸管工作原理

PV蓄能虹吸管是在现有虹吸式放水涵管的基础上进行改造，该虹吸管高度最大部分的上方设有集水箱，集水箱通过补水控制阀和补水管路连接至下部虹吸管。在此基础上，通过补水管与进水池潜水泵相连，潜水泵由光伏发电蓄电池提供动力，保证进水池水量充足。充水控制阀在虹吸管正常工作时关闭;充水控制阀在虹吸管停止工作时打开，以便通过水体注入虹吸管，使管子始终处于满水真空状态[2]。

2.3  光伏储能式虹吸管优点

有的山塘水库地处偏远，不通水、不通电，但放水涵管间隔一定时间需要补水，人工引水不便，而且耗时长，光伏蓄能虹吸管利用太阳能再生能源，降低成本，环保经济，只需控制阀门开关，实现管路满水真空，减轻工作负担，大大提高工作效率。

3  PV储能虹吸管的应用

九江市50～60年代修建的主要农业灌溉设施和生活用水设施水库山塘，由于当时建设的经济条件、技术水平、运行管理体制等方面的限制，在工程建设中普遍存在工程质量不合格、设施不配套等问题，导致涵管大部分漏水，严重影响了工程效益。山前水库为德安县丰林镇紫荆村南部的一個小型水库，属二级水库。该水库建于1967年冬，主要建筑有：水坝、溢洪道、排水管等。其中兴利水库蓄水37000m3，调洪水库0.7万m3，死库水库蓄水25000m3。坝高18m，坝顶轴线长72m，坝顶平均宽5.3m，均为心墙式土坝[3]。此座山塘大坝由于建成早，运行时间长，涵管老化，漏水严重，不能正常运水，故决定2013年对该大坝进行除险加固，用虹吸管代替原来难以处理的漏水涵管。在山塘应用太阳能虹吸管，使除险加固只需处理旧涵管的堵塞问题，而无需破坝除险加固，大大减少了土方开挖、回填，施工简单，工期短，投资少，操作维护方便，经济环保。经过四年运行，效果良好，在小山塘水库除险加固中具有很好的推广应用价值[4]。

4  PV储能式虹吸管在应用中需要的注意事项