風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電提水灌溉系統(tǒng)的組成及應(yīng)用

樊 冰，張聯(lián)洲，趙啟新

（1.山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟(jì)南 250014；2.肥城市水利地質(zhì)基礎(chǔ)公司，山東 肥城 271600）

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電提水灌溉系統(tǒng)的組成及應(yīng)用

樊 冰1，張聯(lián)洲1，趙啟新2

（1.山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟(jì)南 250014；2.肥城市水利地質(zhì)基礎(chǔ)公司，山東 肥城 271600）

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電智能提水灌溉系統(tǒng)利用風(fēng)機(jī)及太陽能板提供的電量通過泵站從山腳下水源提水至山頂高位蓄水池，并對(duì)農(nóng)田作物進(jìn)行智能節(jié)水灌溉。該電站是集風(fēng)能及太陽能兩種能源發(fā)電技術(shù)、系統(tǒng)智能控制技術(shù)及節(jié)水灌溉技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了新型發(fā)電技術(shù)與智能監(jiān)控技術(shù)的全面整合。該文對(duì)系統(tǒng)的組成與功能進(jìn)行了闡述。

風(fēng)光互補(bǔ)；節(jié)水灌溉；太陽能；智能監(jiān)控

目前，太陽能與風(fēng)能作為清潔可再生型新能源在自然界配置、技術(shù)整合方面具有高度的互補(bǔ)性，并且具有發(fā)電成本較低、安裝運(yùn)行維護(hù)方便簡單、綠色環(huán)保、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，從而具備規(guī)?；l(fā)展的條件。所謂風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電智能提水灌溉系統(tǒng)，是將太陽能板、蓄電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、輸水系統(tǒng)、灌溉控制系統(tǒng)有機(jī)組成一個(gè)整體，充分有效地利用風(fēng)能和太陽能在資源及時(shí)間上的互補(bǔ)性，充分發(fā)揮各自的特性和優(yōu)勢，最大限度的利用太陽能和風(fēng)能進(jìn)行提水蓄能，將電能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為高位蓄水池中的水勢能儲(chǔ)存，零存整取，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。該系統(tǒng)主要由風(fēng)光互補(bǔ)電站、潛水電泵、輸水管道、輸電線路、高位蓄水池、農(nóng)田現(xiàn)場綜合數(shù)據(jù)自動(dòng)采集終端、節(jié)水灌溉智能一體化控制系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)利用發(fā)電設(shè)備從山腳下水源提水至山頂高位蓄水池，并對(duì)農(nóng)田作物進(jìn)行灌溉。其中風(fēng)光互補(bǔ)電站由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能板、控制器、蓄能裝置、逆變器、避雷器、交流直流負(fù)載等部分組成。該電站是集風(fēng)能及太陽能兩種能源發(fā)電技術(shù)、系統(tǒng)智能控制技術(shù)及節(jié)水灌溉技術(shù)為一體的復(fù)合可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了兩種自然資源的全面整合。

1 風(fēng)光互補(bǔ)電站

該電站風(fēng)力發(fā)電部分通過風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過逆變器對(duì)負(fù)載供電，剩余電量再通過控制器對(duì)蓄電池充電。光伏發(fā)電部分利用太陽能電池板的光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，剩余電能對(duì)蓄電池充電。逆變系統(tǒng)由多臺(tái)逆變器組成，保證輸出電壓與提水電泵匹配，保證用電負(fù)載設(shè)備的正常使用。電站同時(shí)還具有自動(dòng)穩(wěn)壓功能，可改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量?？刂撇糠指鶕?jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載的變化，不斷對(duì)蓄電池組的工作狀態(tài)進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)：一方面把調(diào)整后的電能直接送往直流或交流負(fù)載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲(chǔ)。發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往負(fù)載，保證了整個(gè)系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。蓄電池部分在系統(tǒng)中同時(shí)起到能量調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載兩大作用。它將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，以備供電不足時(shí)使用。本電站充分利用了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行互補(bǔ)機(jī)制，提高了區(qū)域風(fēng)能與太陽能互補(bǔ)比例及可靠性。

2 農(nóng)田現(xiàn)場自動(dòng)化綜合監(jiān)控終端

農(nóng)田現(xiàn)場自動(dòng)化監(jiān)控終端的功能是實(shí)現(xiàn)采集土壤墑情、氣象、溫度、現(xiàn)場作物的供水情況、蒸發(fā)量、土壤pH值、管道壓力以及設(shè)備電壓電量等參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心根據(jù)收集的大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息，建立作物生長制約因素信息庫，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)墑情測報(bào)，并將需水信息反饋給灌溉控制終端，控制灌溉系統(tǒng)的啟閉，從而提高水分生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水。數(shù)據(jù)采集單元傳感器的監(jiān)測點(diǎn)位布置按照現(xiàn)場作物分布情況、地貌、土壤、氣象、水文地質(zhì)條件和管道敷設(shè)情況進(jìn)行布設(shè)，傳輸方式可采用有線傳輸或通過TCP/IP協(xié)議以自身IP地址進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

3 灌溉及控制系統(tǒng)

該部分主要由提水管道、泵站及泵房、高位蓄水池及灌溉控制終端組成。提水管線布設(shè)應(yīng)從整個(gè)供水系統(tǒng)布局合理的角度出發(fā)，盡量縮短線路長度，避免急轉(zhuǎn)彎、較大的起伏、穿越不良地質(zhì)地段；泵站一般建設(shè)在水源處，水泵及有關(guān)控制部件均安裝在該泵房內(nèi)；高位蓄水池根據(jù)實(shí)際地形及灌溉方便選擇相對(duì)高點(diǎn)，水池建設(shè)要充分做好防滲處理；灌溉控制終端是對(duì)灌溉水供給進(jìn)行控制的命令執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌溉水供給精準(zhǔn)化，該部分應(yīng)具有以下主要功能：1）可靠實(shí)現(xiàn)對(duì)控制命令的處理、執(zhí)行等功能。2）執(zhí)行系統(tǒng)控制命令的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性符合要求。3）通過調(diào)節(jié)自身供水方式實(shí)現(xiàn)水泵恒壓供水。4）執(zhí)行指令實(shí)施后，可反饋單元執(zhí)行情況及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)信息至監(jiān)控中心。5）現(xiàn)場灌溉設(shè)備能進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置使控制電路失效或恢復(fù)。6）執(zhí)行終端能根據(jù)流量等傳感器的監(jiān)測值與設(shè)定值進(jìn)行，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)灌溉水量，滿足要求后停止灌溉。

4 節(jié)水灌溉智能一體化控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)首先建立作物生長需水量預(yù)測計(jì)算模型，根據(jù)農(nóng)田現(xiàn)場監(jiān)測終端采集返回的太陽輻射、氣溫、相對(duì)濕度、蒸發(fā)量、風(fēng)速等信息計(jì)算出作物在該生長階段的最佳需水量，然后對(duì)比當(dāng)前土壤實(shí)際含水量，當(dāng)未達(dá)到最佳值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)灌溉命令并通知操作員，操作員無干預(yù)則自動(dòng)啟動(dòng)灌溉系統(tǒng)，并且根據(jù)預(yù)先制定的灌溉順序自動(dòng)執(zhí)行，同時(shí)農(nóng)田監(jiān)測終端的監(jiān)測頻率自動(dòng)調(diào)至最高，當(dāng)含水量達(dá)到最佳值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送灌溉停止命令，農(nóng)田監(jiān)測終端的監(jiān)測頻率恢復(fù)正常值，灌溉結(jié)束。

節(jié)水灌溉智能一體化控制系統(tǒng)還應(yīng)具有以下功能：1）監(jiān)測信息具有“一張圖”總覽功能，總覽圖上可動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控類型、位置信息、歸屬信息、當(dāng)前狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制情況、過程曲線、報(bào)警狀態(tài)等。2）系統(tǒng)有數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、描述、查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表導(dǎo)出等功能，可查詢導(dǎo)出任一時(shí)間段任一監(jiān)控參數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。3）系統(tǒng)具有編輯、修改功能，通過后臺(tái)登陸可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控方式的選擇、監(jiān)控站的組態(tài)布置、控制指令的重新生成及保存、自動(dòng)灌溉參數(shù)的輸入輸出、歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用修改、評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行操作、系統(tǒng)配置的修改、進(jìn)行系統(tǒng)測試和系統(tǒng)維護(hù)等。4）系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)功能、身份識(shí)別功能、登陸IP及時(shí)間地點(diǎn)驗(yàn)證等功能，確保網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。通過多級(jí)用戶管理體制、身份識(shí)別體制、設(shè)置多級(jí)用戶權(quán)限、多級(jí)安全密碼，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的安全管理。5）系統(tǒng)具有自檢功能，以便能為及時(shí)維護(hù)提供方便。6）智能決策單元支持自我修正功能，該功能可以對(duì)灌溉后的執(zhí)行結(jié)果與執(zhí)行前的預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，通過比對(duì)重新修正模型的計(jì)算參數(shù)、并將結(jié)果進(jìn)行反饋。7）智能決策單元的輸出內(nèi)容應(yīng)具有是否需要灌溉、灌溉時(shí)間、灌溉量等信息。8）智能決策單元應(yīng)能夠與主控單元(或監(jiān)控中心)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)智能決策控制功能。

5 結(jié)語

通過該節(jié)水灌溉模式的應(yīng)用，開發(fā)利用新能源，為山丘區(qū)農(nóng)民增產(chǎn)創(chuàng)收提供了可能，也有利于項(xiàng)目區(qū)生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步發(fā)展和改善。該系統(tǒng)可更好的調(diào)節(jié)小氣候，有效遏制水土流失，土壤沙化，保持土壤肥力，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。隨著光伏發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日趨成熟及實(shí)用化進(jìn)程中產(chǎn)品的不斷完善，相信隨著設(shè)備材料成本的降低、科技的發(fā)展、政府扶持政策的推出，該清潔、綠色、環(huán)保的新能源風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電提水系統(tǒng)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1] 徐林等.風(fēng)光蓄互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)容量的改進(jìn)優(yōu)化配置方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012（25）.

[2] 齊志遠(yuǎn)等.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制[J].太陽能學(xué)報(bào)，2010(05).

（責(zé)任編輯 趙其芬）

S277.9

B

1009-6159（2017）-10-0084-02

樊冰（1982—），男，工程師