光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水收集再利用及其在小農(nóng)場中的應(yīng)用

謝瑛珂，龔恒翔，廖　飛，張　力，李　建

(1.重慶理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，重慶　400054; 2.重慶市北碚區(qū)朝陽小學(xué)校， 重慶　400715)

光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水收集再利用及其在小農(nóng)場中的應(yīng)用

謝瑛珂1，龔恒翔1，廖飛1，張力2，李建2

(1.重慶理工大學(xué) 光電信息學(xué)院，重慶400054; 2.重慶市北碚區(qū)朝陽小學(xué)校， 重慶400715)

摘要：在中國，能源與水資源的缺乏與低效率使用已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。光伏新能源和雨水收集再利用是實(shí)現(xiàn)綠色能源應(yīng)用、水資源保護(hù)和“節(jié)能減排”目標(biāo)的有效途徑。將光伏發(fā)電技術(shù)與雨水收集再利用有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水收集再利用系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)灌溉，并在重慶市北碚區(qū)朝陽小學(xué)智慧生態(tài)小農(nóng)場進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞：光伏；新能源；雨水收集；灌溉；智能化

經(jīng)過近30年的高速發(fā)展，中國的經(jīng)濟(jì)規(guī)模已經(jīng)位居世界第二位，隨之而來的是對(duì)能源和資源需求量的快速提高。能源消耗增長率不斷提高，能源供需缺口不斷擴(kuò)大，使得中國各種能源的對(duì)外依存度不斷升高，已經(jīng)危及我國的經(jīng)濟(jì)安全[1]。光伏新能源是直接把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的新能源，隨著該技術(shù)的發(fā)展，光伏發(fā)電單位功率成本已經(jīng)達(dá)到可接受的水平。預(yù)計(jì)到2050 年，接近50%的全球電能需求都是通過太陽能方式滿足。中國已經(jīng)成為全球光伏組件產(chǎn)能和產(chǎn)量最大的國家，但光伏發(fā)電量卻不足全國發(fā)電量的0.1%，遠(yuǎn)低于德國4.5%的水平。因此，中國政府自2013年以來發(fā)布了多條促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策、規(guī)劃和指導(dǎo)意見，積極推動(dòng)發(fā)展分布式光伏發(fā)電[2-3]。水資源是人類賴以生存與發(fā)展的重要資源，水資源短缺是當(dāng)今世界各國共同關(guān)注和高度重視的一個(gè)全球化問題。中國水資源總量約占全球總量的6%，但人均占有量只有世界平均水平的28%，是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國家，特別是灌溉用水的利用率只有約0.5，而世界先進(jìn)水平為0.7~0.8[4]。以生產(chǎn)單位國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)用水量為指標(biāo)，每萬美元GDP我國的用水量遠(yuǎn)超過發(fā)達(dá)國家[5]。生活中，大水漫灌現(xiàn)象在很多農(nóng)村和城市園林中是非常普遍的現(xiàn)象，同時(shí)，水環(huán)境污染嚴(yán)重，導(dǎo)致水生態(tài)明顯退化，水質(zhì)普遍惡化，各種突發(fā)性水污染事件頻繁發(fā)生。

綜上，積極研發(fā)和推廣新能源技術(shù)、水資源合理循環(huán)利用技術(shù)是非常必要和緊迫的任務(wù)。就重慶市而言，雖然轄區(qū)內(nèi)有長江、嘉陵江等河流分布，年均降雨量遠(yuǎn)高于國內(nèi)大部分省份，但水資源依然緊缺。典型的例子是我市東部的黔江、秀山、彭水和酉陽等地，為喀斯特地貌密布，雖然年均降水量不少，但由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不易蓄水，山區(qū)生產(chǎn)、生活用水困難。以上地區(qū)山高林密、交通困難，電網(wǎng)覆蓋不足，用電的穩(wěn)定性無法得到保障，采用提灌方式解決生產(chǎn)、生活用水問題存在極大的困難和極高的成本。水資源和電力供應(yīng)的難題成為阻礙有效改善當(dāng)?shù)孛裆鷨栴}的重要資源障礙，也為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)旅游開發(fā)、特色農(nóng)產(chǎn)品的種養(yǎng)殖和深加工帶來很大的困難。與國外相比，國內(nèi)通過雨水收集再利用實(shí)現(xiàn)灌溉的應(yīng)用較少，且基本都需要依賴市電來驅(qū)動(dòng)[6-8]?；诖?，本文以太陽能為初級(jí)能源，通過光伏發(fā)電技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為電能，驅(qū)動(dòng)雨水回收系統(tǒng)完成自然降水的收集、過濾、儲(chǔ)存和灌溉，完整地展示了光伏發(fā)電技術(shù)和雨水回收再利用技術(shù)的過程，并應(yīng)用傳感器等電子器件，體現(xiàn)了“智慧農(nóng)業(yè)”的特點(diǎn)。本系統(tǒng)已在重慶市朝陽小學(xué)智慧生態(tài)農(nóng)場中建設(shè)和應(yīng)用，為中小學(xué)生的科普起到一定的示范作用。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水收集再利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，整個(gè)系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)、傳感與控制系統(tǒng)和灌溉系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成。

圖1　光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水再利用系統(tǒng)

供電系統(tǒng)采用分布式并網(wǎng)模式，包括光伏陣列、公共電網(wǎng)和并網(wǎng)逆變器。太陽能電池組件光伏陣列通過串聯(lián)方式連接。為防止直擊雷和感應(yīng)雷對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的影響，安置了避雷針，并在每路直流輸入主回路內(nèi)裝設(shè)浪涌保護(hù)裝置。光伏組件通過并網(wǎng)逆變器把來自光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電力相同電壓和頻率的交流電，并輸送給公共電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器同時(shí)提供孤島效應(yīng)防護(hù)最大功率點(diǎn)跟蹤(maximumpowerpointtracking,MPPT)和并網(wǎng)保護(hù)等功能。負(fù)載供電由公共電網(wǎng)提供。有市電網(wǎng)絡(luò)但供電穩(wěn)定性差的地區(qū)可以采用離網(wǎng)市電互補(bǔ)模式，無市電網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)可以采用離網(wǎng)分布式供電模式產(chǎn)生和提供系統(tǒng)工作電能。

雨水收集系統(tǒng)包括集雨裝置和蓄水池兩部分。集雨裝置以陣列的形式平均分布，實(shí)現(xiàn)最大效率的雨水收集，同時(shí)根據(jù)安裝現(xiàn)場的實(shí)際情況對(duì)角度、口徑、質(zhì)量和遮光等問題進(jìn)行了考慮。收集到的雨水通過軟管流入蓄水池，經(jīng)沉淀后實(shí)現(xiàn)灌溉。雨水的流動(dòng)通過控制直流泵的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。在蓄水池安裝液位傳感器來實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)控，防止溢流。

傳感與控制系統(tǒng)是保證整個(gè)系統(tǒng)有效運(yùn)行的核心。植物的需水量根據(jù)種類、生長階段的不同而存在差異，最適當(dāng)?shù)墓喔葧r(shí)機(jī)是植物剛出現(xiàn)缺水現(xiàn)象的時(shí)候。影響灌溉用水量的因素主要有土壤條件、氣象條件和植物栽培條件3種，針對(duì)不同的季節(jié)和不同的植物種類、栽培密度，采用不同的灌溉方式既可以節(jié)省水資源，又可以實(shí)現(xiàn)合理有效的灌溉。基于此，采用不同的傳感器完成對(duì)空氣環(huán)境溫濕度、土壤溫濕度和土壤PH值等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來控制灌溉時(shí)間和灌溉水量。同時(shí)，采用直流閥，針對(duì)不同的植物控制灌溉的時(shí)間、周期和灌溉水量，做到有的放矢，這是實(shí)現(xiàn)有效灌溉的手段之一。因此，各種傳感器接入傳感與控制系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)內(nèi)置處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)直流閥的開關(guān)控制和對(duì)直流泵開關(guān)及轉(zhuǎn)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)智能化灌溉。

2光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水收集再利用在農(nóng)場中的應(yīng)用

結(jié)合重慶市北碚區(qū)朝陽小學(xué)教學(xué)科研用智慧生態(tài)小農(nóng)場進(jìn)行了光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水收集再利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工。北碚區(qū)朝陽小學(xué)位于東經(jīng)106°18′14″~106°56′53″，北緯29°39′00″~30°03′53″之間，其智慧小農(nóng)場面積約為45m×45m，圖2所示為小農(nóng)場俯視圖。北碚地區(qū)近50年平均日照時(shí)數(shù)約為1 117.8h，主要集中在春、夏兩季，全年太陽總輻射量為365kJ/cm2，無霜期達(dá)359天，輻射資源在全國屬于Ⅳ類地區(qū)[9]。年總降雨量為1 156.8mm，屬于降雨量比較豐富的地區(qū)[10]。

太陽能電池組件選用無錫尚德200W多晶硅太陽能組件，標(biāo)稱功率為200WP，開路電壓為26.2V，短路電流為7.63A。如圖3所示，為減少小農(nóng)場樹木和周圍建筑物對(duì)太陽能電池組件造成遮擋而導(dǎo)致的熱斑效應(yīng)，防止工程對(duì)小農(nóng)場的破壞，太陽能組件陣列通過金屬桿支撐，距地面2.4m，太陽能電池組件陣列方位角為180°，最佳陣列傾角確定為30°。共安裝12塊太陽能電池板，總功率為2 400WP。

圖2　北碚區(qū)朝陽小學(xué)智慧生態(tài)小農(nóng)場俯視圖

圖3　太陽能電池組件陣列

并網(wǎng)逆變器采用合肥陽光電源股份有限公司出品的SG2K5TL型無變壓器型并網(wǎng)逆變器，最大輸入功率為2.8kW，額定交流輸出功率為2.5kW，最大功率點(diǎn)跟蹤電壓范圍150~380V，同時(shí)具有過壓保護(hù)、對(duì)地故障保護(hù)、孤島效應(yīng)保護(hù)、過載保護(hù)和短路故障保護(hù)等完善的保護(hù)功能，并具有內(nèi)置逆變采集器和RS485通信接口，可方便地獲取逆變器的運(yùn)行參數(shù)。

集雨裝置頂部口徑過大、整體高度過低，會(huì)對(duì)地面植物產(chǎn)生遮擋，影響植物的生長環(huán)境，但如果設(shè)計(jì)高度過高則需要增加防傾倒拉鎖等裝置，增加了產(chǎn)品成本以及安全隱患。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集雨裝置如圖4所示。整個(gè)裝置采用碳鋼材料制作，距離地面高度為2m，內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，表面做了防銹處理。裝置頂端有不銹鋼網(wǎng)孔作為頂部濾網(wǎng)，防止落葉污染物掉入堵塞管道。集雨罩殼有直徑1 200mm和400mm兩種，采用倒錐形設(shè)計(jì)，可以更大效率收集雨水，同時(shí)防止遮蓋地面植物，集雨裝置陣列如圖5所示。收集到的雨水通過導(dǎo)水軟管流入蓄水池中。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有2個(gè)蓄水池，根據(jù)小農(nóng)場面積、以往灌溉需水量和灌溉時(shí)間，設(shè)計(jì)每個(gè)蓄水池體積為1m3。其中1號(hào)蓄水池與集雨裝置連接，對(duì)采集到的雨水沉淀過濾，然后通過1個(gè)直流泵抽入到2號(hào)蓄水池中；2號(hào)蓄水池通過1個(gè)直流泵與灌溉系統(tǒng)連接。蓄水池中裝有水位傳感器，并設(shè)計(jì)有自來水旁路，可自動(dòng)根據(jù)蓄水池液位的變化由直流泵實(shí)現(xiàn)排水或者通過直流電磁閥實(shí)現(xiàn)自來水補(bǔ)水。直流泵采用普蘭迪PLD-1206型微型水泵，工作電壓為DC12V，功率為45 W，水泵可實(shí)現(xiàn)平均3.5 L/min的流量，滿足灌溉的供水需求。

圖4　集雨裝置

圖5　智慧生態(tài)小農(nóng)場集雨裝置陣列

為實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、小水量的噴灌，考慮到小農(nóng)場植物多為花木類植物以及一些農(nóng)作物，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用空中噴灑和滴灌兩種方式實(shí)現(xiàn)灌溉。其中，空中噴灑覆蓋直徑約為5m，可增加空氣濕度及調(diào)節(jié)溫度。滴灌圍繞整個(gè)農(nóng)場地面鋪設(shè)，灌溉水經(jīng)過滴嘴以水滴的形式進(jìn)入土壤，以提高灌溉水的利用率。

光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水收集再利用于2014年10月在朝陽小學(xué)智慧生態(tài)小農(nóng)場調(diào)試成功，系統(tǒng)運(yùn)行正常，符合光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[11]，已經(jīng)在電力部門的許可下并入電網(wǎng)工作。近期運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以滿足對(duì)小農(nóng)場的植物灌溉需求，其示范作用得到了校內(nèi)外師生的一致好評(píng)。下一步將在小農(nóng)場系統(tǒng)中增加傳感器器件，并根據(jù)植物品種和類別，通過中央處理器做到有針對(duì)性、高效率的智能化灌溉，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光伏新能源與“智慧農(nóng)業(yè)”的結(jié)合。

3結(jié)束語

光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水收集再利用系統(tǒng)是對(duì)我國大力倡導(dǎo)的“節(jié)能減排”的一種嘗試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自然界中太陽能與降雨的有機(jī)結(jié)合，既實(shí)現(xiàn)了綠色新能源，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)約用水和對(duì)水資源的保護(hù)。同時(shí)，系統(tǒng)在重慶市北碚區(qū)市級(jí)示范小學(xué)朝陽小學(xué)智慧生態(tài)小農(nóng)場進(jìn)行了建設(shè)與使用，為普及小學(xué)生新能源與水資源知識(shí)起到推動(dòng)作用。通過對(duì)學(xué)生的展示以及校級(jí)間的相互交流，提升了公眾對(duì)光伏新能源與“智慧農(nóng)業(yè)”的認(rèn)識(shí)，加深了保護(hù)能源與水資源的意識(shí)，對(duì)未來發(fā)展和普及光伏新能源、提高水資源的利用與保護(hù)具有一定的積極意義。

參考文獻(xiàn):

[1]張茉楠. 邁向經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國的全球能源資源戰(zhàn)略[J]. 宏觀經(jīng)濟(jì)管理, 2014(8):67-69.

[2]佚名. 國家能源局關(guān)于進(jìn)一步落實(shí)分布式光伏發(fā)電有關(guān)政策的通知[J].太陽能, 2014(9):6-9.

[3]陳煒，艾欣，吳濤，等. 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響研究綜述[J].電力自動(dòng)化設(shè)備, 2014(23):26-39.

[4]孫永平, 李元華. 全面普及節(jié)水灌溉新技術(shù) 提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率[J]. 吉林農(nóng)業(yè), 2014(3):54-54.

[5]張亮. 未來十年中國水資源需求展望[J]. 發(fā)展研究, 2013(11):12-14.

[6]Johann,Gnadlinger. 巴西半干旱地區(qū)干旱和氣候多變情況下的雨水收集[J].JournalofSoutheastUniversity：englishEdition, 2014(2):164-168.

[7]MelvilleSP,WardSR,ButlerD.對(duì)英國住宅區(qū)域幾種新型雨水收集利用系統(tǒng)的初步可持續(xù)性評(píng)估[J].JournalofSoutheastUniversity：EnglishEdition, 2014(2):135-142.

[8]于宵.城市道路路面雨水收集與利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].城市道橋與防洪, 2013(6):110-114.

[9]張爽,李光兵,汪志輝，等.北碚區(qū)近50年日照時(shí)數(shù)變化特征分析[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2013(11):127-131.

[10]萬敏,李家啟,張爽，等.北碚區(qū)降水時(shí)空分布及變化趨勢分析[J]. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2013(7):122-128.

[11]B/T19939—2005.光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2005.

(責(zé)任編輯劉舸)

收稿日期：2015-01-15

基金項(xiàng)目：重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2013yykfA0223)；重慶市巴南區(qū)科技局資助項(xiàng)目(2012Q125)；重慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)應(yīng)用技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目(cstc2012gg-yyjs90009)

作者簡介：謝瑛珂(1979—)，男，四川富順人，碩士，講師，主要從事光伏新能源及其應(yīng)用研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.012

中圖分類號(hào)：TK01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2015)07-0065-04

InvestigationandApplicationofPhotovoltaicEnergyDriveRainwater
CollectionandReuseinaSmallFarm

XIEYing-ke1, GONG Heng-xiang1, LIAO Fei1, ZHANG Li2, LI Jian2

(1.CollegeofOpticalandElectronicInformation,

ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China;

2.ChongqingBeibeiChaoyangPrimarySchool,Chongqing400715,China)

Abstract:The shortage and waste of energy and water resource have already become the bottleneck of restricting economic development in China. Photovoltaic energy and rainwater collection and reuse are the effective way to realize the goals of green energy application, water resource protection, energy-saving and emission-reduction. A system was designed by combining photovoltaic and rainwater collection and reused to realize irrigation. The system was tested in ecological wisdom small farm of Chongqing Beibei Chaoyang primary school, and good results have been achieved.

Key words:photovoltaic; new energy; rainwater collection; irrigation; intelligentize

引用格式：謝瑛珂，龔恒翔，廖飛，等.光伏新能源驅(qū)動(dòng)雨水收集再利用及其在小農(nóng)場中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(7):65-68.

Citationformat：XIEYing-ke,GONGHeng-xiang,LIAOFei,etal.InvestigationandApplicationofPhotovoltaicEnergyDriveRainwaterCollectionandReuseinaSmallFarm[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology:NaturalScience，2015(7):65-68.