传统灌溉技术需依赖昂贵的柴油或者市政电力提水, 给偏远无电或者严重缺电地区灌溉造成不便, 不利于能源与环境的可持续发展。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁低碳能源, 将其与灌溉设备相结合可使太阳能利用取得尽可能大的经济效益和生态效益。分布式太阳能提水灌溉系统利用太阳能光伏发电驱动离心水泵将地下水提水至地面并实现灌溉, 具有无需电网、自主运行、节能减排、组件模块化可线性缩放、便于维护等优点, 是缓解能源紧缺和环境污染的切实可行的技术途径。

随着光伏发电技术的发展及光伏组件成本的降低, 太阳能光伏提水灌溉系统已经被广泛用于各种农业灌溉领域。查咏等^[1]将光伏提水灌溉技术用于内蒙古四子王旗牧区的人工草场, 该系统的投入产出比为1:2.55, 投资回收期为6.8年, 每年可节省3 800元, 表明太阳能提水灌溉系统在牧区人工草场灌溉的巨大应用潜力。李慧娴^[2]等考察了光伏提水灌溉技术在丘陵山区灌溉上的应用, 以徐州铜山区柳泉镇山区水源示范工程为例, 系统可以可靠地运行, 具有明显的生态环保效益, 该光伏提水示范工程每年还带来26万元的直接经济效益。孙春敏等^[3]将光伏提水技术用于解决雷州半岛农业干旱问题, 光伏水泵运行5年后总投资已经低于传统市电水泵和柴油水泵, 1 kW光伏阵列每年就可减排二氧化碳12 t, 节省标煤1.2 t。除了满足基本灌溉需求外, 光伏提水灌溉系统还朝着智能化控制方向发展。邱林等^[4]设计了一套适用于广西省壮族自治区的太阳能智能灌溉系统, 可实现甘蔗和木薯等作物农田的智能化精准灌溉。徐建^[5]设计的光伏提水灌溉系统通过无线传感网络可实现农田灌溉环境湿度、温度和PH值的实时监测。与传统电力发电机或者柴油发电机相比, 40 kWp到1 MWp大功率光伏提水灌溉系统电力成本可节约80%左右^[6]。

除了上述农业灌溉应用场合外, 近年来太阳能光伏提水灌溉系统还被广泛用于校园灌溉, 除了可以解决手动喷灌或漫灌的弊端之外, 还可作为“智慧校园”减排节能科普教育的典型示范案例。云南农业职业技术学院的1 kW光伏组件用于灌溉学校农场大棚内的蔬菜, 每年可节省2 300度电^[7]。路翀等^[8]基于Arduino单片机设计的适用于新疆高校校园绿化的网上控制自动灌溉系统, 可保证校园绿化灌溉系统累积运行5 h以上。赖其涛^[9]则基于Zigbee通信控制系统, 通过光伏发电系统为地形复杂的校园草坪进行智能灌溉, 提高了生产效率。为探讨太阳能光伏提水灌溉系统用于我国北方校园绿地的技术可行性和潜在效益, 本文设计了一个面向校园绿地灌溉的光伏提水灌溉系统, 并根据设计结构制作了样机, 通过实地测试的方式考察该系统的技术可行性。通过与传统市电提水灌溉系统的对比分析, 探讨了光伏提水灌溉系统的经济效益和节能减排潜力。

1 太阳能光伏提水灌溉系统结构设计

面向校园绿地的光伏提水灌溉系统如图 1所示。该系统主要包括太阳能光伏发电模块、蓄电箱、提水及蓄水装置和灌溉设备。该系统的工作原理如下:太阳能光伏阵列接受太阳辐射能量, 并将其转化为电能; 太阳能追光模块可以确保太阳能电池板随时跟随太阳移动, 使光线始终与太阳能电池板保持垂直, 提高太阳能光伏组件的发电效率; 太阳能控制器将电能输送到蓄电箱中, 为直流水泵供电, 将地下水从低位提至高位, 并向灌溉设备加压。

1.1 太阳能光伏发电模块

太阳能光伏发电模块由光伏电池阵列、支架和配套设备构成, 为整套提水灌溉系统提供能量。太阳能光伏发电装置的正面图如图 2所示。

太阳能电池阵列由多块太阳能电池组件串并联而成。太阳能电池主要有单晶硅和非单晶硅两种, 单晶硅的发电效率高于非单晶硅, 可达到13%~18%, 因此该系统选用单晶硅电池。光伏组件满足国家质量标准GB/T 29195-2012的要求。系统选用100 W太阳能电池板, 额定电压为18 V。用于固定和支撑光伏电池板的支架为热镀锌型钢材质, 具有良好的抗压、耐磨和耐腐蚀性能。

太阳能光伏发电装置背面如图 3所示, 主要包括太阳能追光模块、减速电机、太阳能控制器和L298N电机驱动模块。其中, 太阳能追光模块基于单轴追踪原理自行设计, 预先计算确定当地太阳高度角, 手动调节太阳能电池板高度角, 通过单片机控制减速电机, 继而控制方位角的变化, 使太阳能电池板随太阳直射光的移动而转动, 以接受更多的光源。太阳能追光模块可以解决固定式太阳能电池板阳光收集率低和双轴太阳能追踪器成本过高的缺点。减速电机则为太阳能电池板转动提供动力, 根据追光模块的输出信号实现太阳能电池板追光移动。太阳能控制器与太阳能电池板连接, 将太阳能电池板输出电压值由18 V转换为12 V, 同时确保太阳能电池板稳定输出电流和电压。追光模块采用5 V供电, 而减速电机采用12 V, 通过L298N电机驱动模块实现不同端口电压之间的转换。

1.2 提水及蓄水系统

本系统选用的提水及蓄水设备如图 4所示。离心泵具有价格低廉、外形美观、结构紧凑、密封可靠、使用与维护方便等优点, 因此本系统选用离心泵作为校园绿地灌溉系统的提水装置。根据太阳能电池板的发电功率及灌溉需求, 选择小功率KLP40-00Y型的离心泵, 其功率为60 W, 扬程为50 m, 流量为0.24 m³/h。

1.3 灌溉设备

校园绿地一般采用喷灌方式, 包括埋藏升降式喷头喷灌与摇臂式喷头喷灌。考虑到校园绿地面积较大的特点, 本系统选用摇臂式喷头喷灌方式进行灌溉, 如图 5所示。摇臂式喷头工作时在喷射水流的反作用下旋转一定角度, 使摇臂反弹, 当喷管转动一定角度又开始喷灌。其特点是喷头具有转向功能, 可调整设定喷洒范围、角度, 适用于各类地形, 尤其适合大中型绿地灌溉。

1.4 半自动控制系统

综合考虑校园绿地光伏提水灌溉的经济成本和生态效益, 本系统采用自动与手动双模式控制的方式来进行绿地灌溉。显示屏与单片机一体化集成, 实时显示植被根部土壤含水状况, 方便实现人工控制, 增加设备的容错率和实用性。显示屏安装在太阳能电池阵列支架的底座中, 以延长其使用寿命。控制系统采用89C51单片机为核心, 与继电器、土壤湿度检测模块控制整套系统的自行运转。

太阳能光伏提水灌溉系统的控制模块工作原理如图 6所示。

通过现场调研的方式确定校园绿地的灌溉时间后, 离心泵开始提水运转; 依照实际灌溉需求, 在绿地植被根部的土壤中安装n组土壤温湿度传感器, 装置开始运转前输入预设值n, 水泵开启后传感器检测土壤湿度, 当收到信号后触发电机调整角度进行下一次灌溉, 以调整灌溉范围。如此循环往复工作, 直到满足灌溉需求为止。为确保灌溉均匀, 根据土壤传感器反馈信号, 同一圆周范围内土壤湿度达到预设要求时, 单片机自主调节喷灌仰角高度, 从而实现灌溉范围的调节, 循环往复工作, 保证了灌溉范围内灌水量的一致性, 从而达到控制灌溉均匀度的目的。

2 现场试验 2.1 测试样机及测试条件

按照前述设计方案制作和装配测试样机。测试地点位于山东省济南市长清区齐鲁工业大学校园内的绿地草坪, 灌溉流量需求约为0.25 m³/h。测试时间为2019年9月4号早上9点到下午17点, 天气为晴朗少云。济南市位于北纬36°40′, 东经117°00′。根据Meteonorm软件数据库^[10]内的济南市主要气象数据, 绘制图 7。济南市的年平均室外温度为14.8 ℃, 水平面太阳能年总辐照量为1 338 kWh/m²。根据中国太阳能资源分区标准, 济南市属于我国太阳能资源中等类型地区(三类地区)。

2.2 太阳能电池板输出功率测试

本系统样机中太阳能光伏电池板的额定功率为100 W, 单板面积为0.97 m², 按照济南市1 338 kWh/m²的年总水平辐射值为来计算, 该光伏组件的每日平均发电量为:

$ E_{P}=H \times P_{A Z} \times K $

(1)

其中, Ep为光伏组件的年发电量, kWh; H为当地标准日照小时数, 济南为4.44 h; P_AZ为光伏组件的安装容量, kW; K为系统的综合效率系数, 取0.8。

计算得到系统光伏组件每天的平均发电量为0.36 kWh, 每年的发电量为130 kWh。

在系统样机的实地运行测试过程中, 不同时间段太阳能电池板的输出功率随着太阳光线照射的强弱而发生变化, 如图 8所示。太阳能电池板在2019年9月4号11点到14点期间输出功率均高于离心泵的额定功率60 W, 在下午15点之后太阳辐射衰减较大, 实际功率下降明显, 曲线起伏主要受太阳辐射强弱和云层遮蔽影响。按照测试当天上午9点到下午17点之间的输出功率进行估算, 可得到太阳能电池板在测试当天的发电量约为0.44 kWh, 可维持提水灌溉系统工作7 h左右, 足以满足校园绿地的灌溉要求。在没有灌溉需求时, 太阳能电池板可以将多余的电能储存在蓄电池内, 满足阴天或者夜间等无阳光照射期间的灌溉需求。

天气晴朗条件下, 如果土壤湿度较低, 控制系统触发离心泵运转, 压力为0.5 MPa。离心泵与摇臂式喷头之间的水管为内径为12 mm, 长10 m的PE管, 沿程阻力损失可忽略不计。水管中水的流速为2.54 m/s, 喷灌喷嘴处口径为4 mm, 忽略接口处的局部损失, 由流体力学连续方程可以计算出喷灌出口处速约为22.9 m/s。摇臂式喷头距离地面1 m, 由此可知喷头射程为7.3 m, 该光伏提水灌溉样机可覆盖的校园绿地喷灌面积约为42 m²。

3 效益分析 3.1 经济效益

与传统市电灌溉系统相比, 光伏提水灌溉系统使用的光伏发电装置初始投资成本较高, 但后续其运行成本和维护成本非常低。为更加直观地了解光伏提水灌溉系统的经济可行性, 本文将光伏提水灌溉系统的安装成本和运行成本与传统市电灌溉系统进行了对比。以40 m²的校园绿地灌溉面积为例, 灌溉流量需求约为0.25 m³/h, 按照20年的运行时间来计算。

每台光伏提水灌溉样机中, 100 W光伏板和蓄电池的一次性投资约500元, 太阳能追光模块、减速电机、太阳能控制器、L298N电机驱动模块及控制系统单片机的一次性投资约200元, 提水、蓄水及灌溉等其它装置的一次性投资约500元, 每台光伏提水灌溉系统样机的一次性投资费用约1 200元。

光伏提水灌溉系统每年的发电量为130 kWh, 2019年济南市商业用电为1元/千瓦时左右, 每台光伏提水系统每年可节约运行成本130元。光伏提水灌溉系统中太阳能电池板使用寿命可达25年甚至更长和时间, 因此无需更换; 太阳能追光模块、减速电机、太阳能控制器、L298N电机驱动模块及单片机、提水、蓄水和灌溉设备等组件约5年需要更换1次, 20年内需要更换3次, 更换成本约2 100元。光伏提水灌溉系统无需电网或者化石燃料供电, 运行成本为0。由此可知, 在20年的运行周期内, 光伏提水灌溉系统总成本为设备一次性投资和更换成本总和, 共计3 300元。

传统市电提水灌溉系统的一次性投资较低, 只需要提水、蓄水、灌溉设备及电线电缆等, 共计约500元, 但灌溉时需要周围需要有电网接入才能为灌溉系统供电。各装置每5年需要更换1次, 20年内需要更换3次, 更换成本约1 500元。由此可知, 在20年的运行周期内, 传统市电提水灌溉系统的总成本包括设备一次性投资和设备更换成本2 000元, 以及每年130元的电费支出。

图 9给出了20年的运行周期内, 两种灌溉系统的总成本对比情况。因光伏提水灌溉系统的初始投资较高, 光伏提水灌溉系统在前6年的运行周期内经济性低于传统的市电灌溉系统, 但从第7年开始, 光伏提水灌溉系统的总成本便低于传统市电灌溉系统, 随着运行周期的增加, 其经济效益越来越明显。此外, 随着光伏产业规模的扩大和配套设备成本的降低, 光伏提水灌溉系统的经济效益也会更加显著。

3.2 节能减排效益

与传统市电灌溉系统或柴油机灌溉系统模式相比, 光伏提水灌溉会减少大量的温室气体排放, 可减轻对自然环境的污染, 对缓解气候变暖和建设环境友好型社会具有重要意义。以本文设计的可灌溉40 m²校园绿地的光伏提水灌溉样机为例, 每年可以节省市政电力为130 kWh, 节约开支130元。按照电力等价折标准煤系数0.404 kgct/kWh和电力排放系数0.793 kg CO₂/kWh计算^[11], 每年可节约标准煤约52.5 kg, 减排二氧化碳约103 kg。齐鲁工业大学长清校区绿地面积约为50万平方米, 可用该光伏提水样机进行日常灌溉维护的绿地面积约20万平方米, 以此推算, 整个校园绿地灌溉如果使用设计的光伏提水灌溉系统, 每年可节约市政电力650 MWh, 节约标准煤约26.3 t, 减排二氧化碳约51.5 t。

除了明显的节能减排潜力以外, 校园里面的光伏提水灌溉系统不需要从市政电网接线, 还可避免出现电线线路过长带来安全隐患和影响校园美观的问题。此外, 光伏提水灌溉系统具有很好的节能减排示范作用和教育作用, 对提高大学生的节能减排和生态文明意识具有重要的意义, 也是创建节约型校园和可持续发展校园的组成部分。

4 结论

以太阳能替代传统柴油机或电网供能模式, 设计了一种面向校园绿地的光伏提水灌溉系统, 主要包括太阳能光伏发电装置、蓄电箱、提水及蓄水装置和灌溉设备, 其半自动控制系统可实现校园绿地的均匀灌溉。样机实地测试结果表明, 100 W的光伏提水灌溉系统可连续可靠运行7 h, 能够满足42 m²校园绿地均匀灌溉的要求。与传统市电提水灌溉系统相比, 光伏提水灌溉系统在运行7年后开始凸显经济效益, 每年可以节省市政电力130 kWh, 节约标准煤约52.5 kg, 减排二氧化碳约103 kg。如整个校园绿地都使用该光伏提水灌溉系统, 其经济效益和节能减排效益更加显著。