光伏儲能式虹吸管在山塘治理中的應用初探

梁德高

摘要：從2004年以來，在我國虹吸管得以廣泛的應用，但是在治理部分山塘中發(fā)現(xiàn)輸水管的堵塞和排水能力不足，存在安全隱患。據(jù)此，本文探討了光伏儲能式虹吸管在山塘治理中的應用。

關(guān)鍵詞：光伏儲能;虹吸管;山塘

0? 引言

在小型水利工程中，虹吸管被廣泛地采用，它是利用虹吸管上段水面的大氣壓強與下段壓力強之間的壓力差，將水庫水體從壩頂引向下游。由于部分水庫山塘地處偏僻，無法應用普通的虹吸管設(shè)備，從而對現(xiàn)有的設(shè)備進行改進，光伏蓄能虹吸管是利用太陽能光伏發(fā)電裝置對現(xiàn)有虹吸式放水涵管進行改造，該技術(shù)應用前景廣闊，值得推廣。

1? 虹吸管介紹

1.1? 虹吸管工作原理

虹吸現(xiàn)象是液體分子間的引力和位能差造成的，是液體分子之間的引力和位能差，即利用水柱壓力差使水上升或下降。虹吸進水管是一條利用虹吸作用將河床式取水頭引入集水井的管道。由于虹吸高度最大可達7米，因此可大大降低管道的埋深，減少鋪設(shè)管道的土石方量，加速發(fā)展，節(jié)約投資，適合河漫灘寬闊，河岸為硬巖，流水線埋入大量土石方，或用于跨越堤壩的需要。虹吸管道必須保證不漏氣，對管道和施工質(zhì)量要求很高，但與自流式進水管相比，其可靠性差。至少要有兩個虹吸管，當一個停止工作時，剩下的管子流過管子的流量必須滿足事故用水的要求。由于道岔的水面承受不同的大氣壓力，所以水從壓力高的一側(cè)流到壓力低的一側(cè)，直到兩面大氣壓力相等，且容器內(nèi)水面高度相同時，才停止流動。隨著液體上升的管子很高，壓力下降，從而在管子內(nèi)產(chǎn)生氣泡（由氣體或其它構(gòu)成氣體組成），氣泡的形成決定了虹吸管的作用高度。由于氣泡會使液體破裂，氣泡兩端的氣體分子之間的力下降到0，這就破壞了虹吸作用，所以管道必須充滿水。由于雙層管口處的氣壓會增加整個虹吸管的壓力，因此在正常的氣壓下，虹吸管比真空管更有效[1]。

1.2? 虹吸管優(yōu)點

虹吸排水在建筑中的應用非常廣泛，現(xiàn)代建筑對其實用性和美觀的要求越來越高。虹吸排水系統(tǒng)的優(yōu)點卻十分明顯，尤其是在廠房、體育館、機場、展覽館、高層裙房等跨度較大、結(jié)構(gòu)復雜的屋面，它既可解決傳統(tǒng)重力式排水系統(tǒng)難以解決的設(shè)計難點，又在節(jié)省管材和施工工作量方面有顯著優(yōu)勢。虹吸排水系統(tǒng)的橫管不需要坡度，屋面雨水斗布設(shè)靈活，可減少或減少屋面預留孔，管道可根據(jù)設(shè)計要求靈活設(shè)置，可靈活選擇管材，可控制屋面及溝槽內(nèi)水深，具有快速自凈管功能。

1.3? 虹吸管常見問題

虹吸管使用中最常見的問題是管路泄漏，泄漏原因如下：地基不牢固，發(fā)生不均勻沉降，造成管道節(jié)間開裂;管節(jié)與涵體接觸不緊密，有縫隙漏水，造成滲水;管節(jié)在施工過程中，由于外力的作用，管節(jié)未完全按規(guī)范施工，或者管節(jié)之間由于管節(jié)間開裂，造成管節(jié)本身質(zhì)量問題，管節(jié)因裂縫或缺陷而滲漏;管節(jié)在施工過程中，如回填混凝土等，管節(jié)在外力的推動下，會變形或出現(xiàn)裂縫。

2? 光伏儲能式虹吸管介紹

2.1? PV儲能簡介

PV能通過光伏效應的原理，將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能。PV能源以其無污染、無噪音、維護費用低、使用壽命長等優(yōu)點，近年來得到了快速發(fā)展。到2015年底，全球太陽能發(fā)電裝機容量將達到2.3億kW，比2015年增加20%，增加5300萬kW。2006年至2015年，我國光伏發(fā)電年增長率在40%以上，是世界上增長最快的能源品種;5年內(nèi)新增裝機400萬kW，進入產(chǎn)業(yè)化初期發(fā)展階段。截至2015年，全省累計裝機86萬kW，比2010年增加4318萬kW，增長1513萬kW，其中全年新增裝機居世界第一。東部和西部地區(qū)太陽能發(fā)電應用逐步形成集中開發(fā)、集中布局的格局。要創(chuàng)新發(fā)展模式，把農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和生態(tài)治理有機結(jié)合起來，走上規(guī)?；⒍嘣l(fā)展的新階段。

2.2? 光伏儲能式虹吸管工作原理

PV蓄能虹吸管是在現(xiàn)有虹吸式放水涵管的基礎(chǔ)上進行改造，該虹吸管高度最大部分的上方設(shè)有集水箱，集水箱通過補水控制閥和補水管路連接至下部虹吸管。在此基礎(chǔ)上，通過補水管與進水池潛水泵相連，潛水泵由光伏發(fā)電蓄電池提供動力，保證進水池水量充足。充水控制閥在虹吸管正常工作時關(guān)閉;充水控制閥在虹吸管停止工作時打開，以便通過水體注入虹吸管，使管子始終處于滿水真空狀態(tài)[2]。

2.3? 光伏儲能式虹吸管優(yōu)點

有的山塘水庫地處偏遠，不通水、不通電，但放水涵管間隔一定時間需要補水，人工引水不便，而且耗時長，光伏蓄能虹吸管利用太陽能再生能源，降低成本，環(huán)保經(jīng)濟，只需控制閥門開關(guān)，實現(xiàn)管路滿水真空，減輕工作負擔，大大提高工作效率。

3? PV儲能虹吸管的應用

九江市50～60年代修建的主要農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施和生活用水設(shè)施水庫山塘，由于當時建設(shè)的經(jīng)濟條件、技術(shù)水平、運行管理體制等方面的限制，在工程建設(shè)中普遍存在工程質(zhì)量不合格、設(shè)施不配套等問題，導致涵管大部分漏水，嚴重影響了工程效益。山前水庫為德安縣豐林鎮(zhèn)紫荊村南部的一個小型水庫，屬二級水庫。該水庫建于1967年冬，主要建筑有：水壩、溢洪道、排水管等。其中興利水庫蓄水37000m3，調(diào)洪水庫0.7萬m3，死庫水庫蓄水25000m3。壩高18m，壩頂軸線長72m，壩頂平均寬5.3m，均為心墻式土壩[3]。此座山塘大壩由于建成早，運行時間長，涵管老化，漏水嚴重，不能正常運水，故決定2013年對該大壩進行除險加固，用虹吸管代替原來難以處理的漏水涵管。在山塘應用太陽能虹吸管，使除險加固只需處理舊涵管的堵塞問題，而無需破壩除險加固，大大減少了土方開挖、回填，施工簡單，工期短，投資少，操作維護方便，經(jīng)濟環(huán)保。經(jīng)過四年運行，效果良好，在小山塘水庫除險加固中具有很好的推廣應用價值[4]。

4? PV儲能式虹吸管在應用中需要的注意事項