太陽能節(jié)水灌溉技術的研究及應用現(xiàn)狀

楊曉龍　賈生海

摘要：指出了隨著可再生新能源的開發(fā)利用受到全世界的廣泛關注，以太陽能為能源的節(jié)水灌溉技術也備受關注。主要從研究現(xiàn)狀、發(fā)展過程中存在的問題以及發(fā)展趨勢方面闡述了太陽能灌溉技術的研究及應用現(xiàn)狀，以期提供參考。

關鍵詞：太陽能；節(jié)水灌溉；光伏系統(tǒng)

中圖分類號：TK519

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）20017102

1引言

太陽能節(jié)水灌溉技術是在20世紀初國際上發(fā)展起來的一門新型的跨學科綜合技術，其核心是以太陽能作為系統(tǒng)能源，取代了傳統(tǒng)的以燃油、電等作為節(jié)水灌溉系統(tǒng)所需的能源，通過輔以現(xiàn)代計算機技術優(yōu)化設計可以全面提高節(jié)水灌溉效率，進而降低勞動生產(chǎn)力，實現(xiàn)灌溉精準化、精量化與自動化的同步進行。該系統(tǒng)具有低碳、環(huán)保、節(jié)能及方便管理等優(yōu)點，目前太陽能灌溉在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉方面的研究中得到了較大發(fā)展，并且已有許多系統(tǒng)投入工程實踐應用，筆者主要從研究現(xiàn)狀、發(fā)展過程中存在的問題以及發(fā)展趨勢方面闡述了太陽能灌溉技術的研究及應用現(xiàn)狀，以期為太陽能灌溉技術的發(fā)展提供參考。

2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國一直非常重視可再生能源的開發(fā)和利用，2000年以來，國家層面的水電、風電及太陽能保持齊頭并進的發(fā)展趨勢。隨著油價的上漲以及光伏電池價格的下降，太陽能利用變得越來越經(jīng)濟，以太陽能為能源的光伏系統(tǒng)得到了很大發(fā)展。蘇建徽[1]研究了直流無刷電機驅(qū)動之光伏水泵系統(tǒng)中最大功率跟蹤過程的控制方式及交流變頻電機驅(qū)動之光伏水泵系統(tǒng)的拓樸結(jié)構，提出了光伏水泵系統(tǒng)的群控概念及其相應的拓樸結(jié)構研究結(jié)果。叢進等[2]設計了一種具備一定智能保護功能的光伏水泵控制系統(tǒng)，并提出了一種改進的無位置傳感器無刷直流電機控制方法。陳慶東等[3]設計了一種可實時自動檢測溫度與濕度且配有無線收發(fā)模塊的太陽能自動微灌演示系統(tǒng)。李明剛等[4]設計了一種由供電和供水兩部分組成的太陽能溫室滴灌系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作效率高、成本低，且其水泵體積小、重量輕、使用壽命長。王東偉[5]利用了最大功率點跟蹤方法使光伏電池工作于最大輸出功率點上，獲得高效功率輸出。并根據(jù)農(nóng)業(yè)用灌溉泵的特點設計出符合性能要求的自吸泵，并計算出了相關參數(shù)。

近年來隨著太陽能電池材料和光伏技術的發(fā)展，具有巨大社會和經(jīng)濟效益的光伏水泵系統(tǒng)得到了廣泛的應用。由于其具有安裝方便、可不攜帶電池、不受電源和地點的限制以及移動性強等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛的應用于人畜飲水和移動灌溉等各個領域之中。劉家宏等[6]從水資源的角度研究了太陽能光伏水泵技術能否大規(guī)模推廣用于草場灌溉和生態(tài)修復以及資源和環(huán)保領域，提出青海省太陽能提水灌溉修復草場的5點要求：即區(qū)域降水量閾值一般在300～600 mm之間，地下水埋深不宜超過30 m，供水距離不宜超過500 m，微噴灌系統(tǒng)用水的懸浮物要小于200 mg/L，總含鹽量一般要低于2 g/L，灌溉草場區(qū)域坡度角不超過坡度9%。吳衛(wèi)熊[7]以廣西田東縣思林鎮(zhèn)真良村太陽能提水灌溉試驗區(qū)為基礎，通過利用集成的太陽能光伏與蓄水系統(tǒng)及灌溉系統(tǒng)，使得太陽能光伏提水灌溉在灌溉火龍果時可以提高單產(chǎn)40.5%，畝均增產(chǎn)超過1000元，取得了良好的效果。李光輝等[8]采用一臺25 m3/h、17 m、2.2 kW的太陽能節(jié)水灌溉專用高效潛水泵與一臺20 m3/h、80 m、5.5 kW的專用高效地面泵串聯(lián)運行的方式，在太陽能節(jié)水灌溉專用逆變控制器的作用下，實現(xiàn)了能量跟蹤控制和智能故障保護功能，并成功的應用于阿壩州紅原縣瓦切鄉(xiāng)的沙化生態(tài)修復中，有效的解決了作物用水難題。

3存在的問題

（1）整套太陽能灌溉系統(tǒng)一次性投入費用比較高，在農(nóng)村偏遠地區(qū)的農(nóng)牧民難以承受。

（2）太陽能光伏系統(tǒng)與其它灌溉系統(tǒng)之間的匹配性較差，主要是受環(huán)境溫度及設計方面的影響。

（3） 太陽能光伏系統(tǒng)的技術方面不夠完善，主要是由于目前國內(nèi)在這方面的研究成果很少，現(xiàn)有光伏水泵基本都是按常規(guī)設計方法設計，導致運行時不僅效率低而且可靠性也差。

4發(fā)展趨勢

我國農(nóng)村地區(qū)土地分散且邊遠地區(qū)集中建設配套電網(wǎng)的投資和難度較大，而在許多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，通常情況下日照時間長，太陽能資源比較豐富。這些地區(qū)往往也是水資源緊缺和生態(tài)嚴重退化的地區(qū)，以太陽能為能源的節(jié)水灌溉技術在此類地區(qū)具有很大的發(fā)展?jié)摿?，以下為主要發(fā)展趨勢。

（1） 向小規(guī)?；托⌒突墓?jié)水灌溉裝備方向發(fā)展，更加適應于局部偏遠地區(qū)的節(jié)水灌溉。

（2）向太陽能與其它能源的結(jié)合使用方向發(fā)展，如太陽能與風能之間的互補利用，晴天可利用太陽能發(fā)電，夜間和陰雨天無陽光時可利用風能發(fā)電，從而實現(xiàn)了全天候發(fā)電的功能。

（3）開發(fā)適合農(nóng)村地區(qū)的以生物質(zhì)為能源的灌溉系統(tǒng)。

（4）結(jié)合先進的計算機網(wǎng)絡技術，開發(fā)更加完善的自動控制系統(tǒng)，使節(jié)水灌溉技術向智能信息化方向發(fā)展。

5結(jié)語

太陽能節(jié)水灌溉技術是一項具有廣闊應用前景和巨大社會及經(jīng)濟價值的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術，在我國西部偏遠的缺乏電力供應的地區(qū)，開發(fā)太陽能提水和節(jié)水灌溉技術不但可以充分利用分布廣泛的綠色能源，發(fā)展灌溉農(nóng)牧業(yè)，還可以保護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。

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Research and Application Status of Solar Energy Saving Irrigation Technology

Yang Xiaolong， Jia Shenghai

（School of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Gansu Agricultural University， Gansu， Lanzhou， 730070， China）

Abstract： With the development and utilization of renewable new energy attracted worldwide attention， solar energy based water-saving irrigation technology has attracted much attention. This paper expounded the research and application status of solar irrigation technology mainly from the current research situation， the existing problems in the development process and the development trend.

Key words： solar energy； water saving irrigation； photovoltaic systemendprint