中國(guó)水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所 朱俊峰 王星天 侯詩(shī)文

中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究所601所 王秋君

一種自動(dòng)控制的光伏提水節(jié)水灌溉系統(tǒng)

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院牧區(qū)水利科學(xué)研究所 朱俊峰 王星天 侯詩(shī)文

中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究所601所 王秋君

利用光伏提水進(jìn)行灌溉在很多無(wú)常規(guī)能源地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用,也存在著不能穩(wěn)定均勻灌溉的問題.通過檢測(cè)主管壓力,控制每條支管上的電磁閥,來(lái)控制正常工作的灌水器數(shù)量,能夠保證所有灌水器都能正常工作;通過給正常工作的灌水器計(jì)時(shí),來(lái)控制每條支管的灌水量,使所有支管在正常工作條件下的灌水量相近,從而保證灌溉的均勻度.與常規(guī)的儲(chǔ)水、儲(chǔ)能方法相比,大大減少了系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行成本.

光伏提水;節(jié)水灌溉;自動(dòng)控制

0 引言

隨著太陽(yáng)能技術(shù)和光伏提水技術(shù)的成熟以及成本的不斷下降,利用光伏提水進(jìn)行灌溉在很多無(wú)常規(guī)能源地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用.

由于太陽(yáng)能輻射量的日變化造成光伏提水直接驅(qū)動(dòng)節(jié)水灌溉設(shè)備有以下兩個(gè)缺點(diǎn):(1)光伏提水的流量和壓力在一天當(dāng)中變化很大,導(dǎo)致一天當(dāng)中能夠正常工作的節(jié)水灌溉設(shè)備數(shù)量變化較大,如不進(jìn)行人工干預(yù),則不能滿足所有節(jié)水灌溉設(shè)備的流量和壓力要求,從而不能保證正常工作.(2)一天當(dāng)中的同一時(shí)刻,距離水源較近和較遠(yuǎn)的節(jié)水灌溉設(shè)備能夠正常工作的數(shù)量也不相同,如不進(jìn)行人工干預(yù),則不能保證所有節(jié)水灌溉設(shè)備出水量相同,從而不能保證灌溉的均勻度[1].

利用自動(dòng)控制技術(shù)解決上述問題,與常規(guī)的儲(chǔ)水、儲(chǔ)能方法相比,大大減少了光伏提水節(jié)水灌溉系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行成本,為西部地區(qū)利用太陽(yáng)能為動(dòng)力的節(jié)水灌溉提供了重要的技術(shù)保障.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于自動(dòng)控制的光伏提水節(jié)水灌溉系統(tǒng)由光伏提水設(shè)備、自動(dòng)控制系統(tǒng)和節(jié)水灌溉設(shè)備三部分組成.光伏水泵的出水口與主管相連,通過過濾器連接到支管,灌水器連接在支管上,見圖1.

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由PLC(可編程邏輯控制器)、壓力傳感器、電磁閥組成,壓力傳感器安裝主管上,其輸出端與PLC的輸入端相聯(lián),PLC的輸出端與電磁閥相聯(lián).

2 控制方法

2.1 保證節(jié)水灌溉設(shè)備穩(wěn)定工作的控制方法

太陽(yáng)能電池板輸出功率隨著光強(qiáng)的變化而變化,主管的壓力也隨著發(fā)生變化,PLC對(duì)輸水管道壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).當(dāng)主管壓力達(dá)到一設(shè)定值時(shí),開啟一路支管上的電磁閥,當(dāng)光強(qiáng)變大,太陽(yáng)能電池板輸出功率上升時(shí),主管壓力增加到一定程度,PLC控制打開一路支管上的電磁閥,該支管上的噴頭開始工作,主管壓力隨即會(huì)下降,保證灌水器能正常工作;當(dāng)光強(qiáng)變小、太陽(yáng)能電池板輸出功率下降時(shí),主管壓力下降到一定程度,PLC控制關(guān)閉一路支管上的電磁閥,該支管上的噴頭停止工作,主管壓力隨即會(huì)上升,保證其他灌水器能正常工作.PLC根據(jù)主管壓力的變化,控制安裝于各支管上電磁閥的開啟與關(guān)閉,達(dá)到穩(wěn)定主管壓力的目的,使灌水器穩(wěn)定工作.

圖1 光伏提水節(jié)水灌溉系統(tǒng)

2.2 保證灌溉均勻度的控制方法

根據(jù)太陽(yáng)能資源和田間布置的情況,確定各支管的灌水量,通過灌水器正常工作時(shí)的所需流量將支管的灌水量轉(zhuǎn)化為支管的開啟時(shí)間,PLC在打開各支管上的電磁閥的同時(shí),對(duì)各支管的工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí),當(dāng)工作時(shí)間到達(dá)設(shè)定值后,即關(guān)閉該支管,打開沒有工作的支管,達(dá)到各支管在一天內(nèi)灌水量相等的目的,從而控制灌溉均勻度.

2.3 系統(tǒng)工作流程

光伏提水節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程如圖2所示.首先,根據(jù)太陽(yáng)能資源和田間布置的情況,確定主管的工作壓力和支管的工作時(shí)間;然后,PLC根據(jù)主管的壓力值判斷開啟電磁閥的數(shù)量,并按順序?qū)χЧ苌想姶砰y進(jìn)行開啟或關(guān)閉操作,同時(shí)對(duì)支管的工作時(shí)間計(jì)時(shí);最后,PLC按順序判斷支管的工作時(shí)間是否達(dá)到設(shè)定值,達(dá)到設(shè)定值后關(guān)閉該支管的電磁閥,順序打開另一條支管的電磁閥,直到所有支管均完成灌溉作業(yè).

圖2 光伏提水節(jié)水灌溉系統(tǒng)工作流程

通過檢測(cè)主管壓力,控制每條支管上的電磁閥,來(lái)控制正常工作的灌水器數(shù)量,能夠保證所有灌水器都能正常工作;通過給正常工作的灌水器計(jì)時(shí),來(lái)控制每條支管的灌水量,使所有支管在正常工作條件下的灌水量相近,從而保證灌溉的均勻度.

3 試驗(yàn)分析

在內(nèi)蒙古包頭市希拉穆仁草原進(jìn)行了光伏提水節(jié)水灌溉系統(tǒng)生產(chǎn)試驗(yàn),系統(tǒng)由水源、光伏提水機(jī)組、控制系統(tǒng)和節(jié)水灌溉系統(tǒng)四部分組成[2].水源為一地下蓄水池,水量充足;光伏提水機(jī)組配備太陽(yáng)能電池板1.7kW,提水水泵一臺(tái),功率1.1kW,額定揚(yáng)程20m,額定流量7m3/s;節(jié)水灌溉系統(tǒng)主管100m,支管16根,每根支管布置兩個(gè)地插式噴頭,間隔8m[3].

3.1 灌溉期輻射量的測(cè)試

北方地區(qū)的灌溉期一般為5-9月,記錄灌溉期每天24個(gè)整點(diǎn)的太陽(yáng)能總輻射量,然后統(tǒng)計(jì)出灌溉期的日平均輻射量,見圖3.

圖3 灌溉期日平均輻射量

由圖3可以看出,灌溉期中,5,6月份的太陽(yáng)能日平均輻射量較大,7、8、9月份的太陽(yáng)能日平均輻射量較小,但差距不大,太陽(yáng)能資源較為豐富.

3.2 灌溉期灌水量的測(cè)試

灌溉期每月的灌水量見圖4.日平均灌水量為60.94m3,灌溉期總提水量為9141m3,作物灌溉定額按270m3/畝計(jì)算,本系統(tǒng)每年最大灌溉面積為33.9畝.

圖4 灌溉期月灌水量

4 結(jié)論

光伏提水節(jié)水灌溉系統(tǒng),利用自動(dòng)控制技術(shù),在不同光強(qiáng)下,使太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能全部轉(zhuǎn)化為灌溉能量,使節(jié)水灌溉設(shè)備能夠分區(qū)域保持穩(wěn)定工作,不僅使流量壓力符合節(jié)水灌溉設(shè)備的要求,而且保證了整個(gè)光伏提水節(jié)水灌溉系統(tǒng)各區(qū)域的灌溉均勻度.

經(jīng)試驗(yàn)分析,1.7kW的光伏提水系統(tǒng)每年最大灌溉面積為33.9畝.隨著光伏電池成本的下降,利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)無(wú)電牧區(qū)天然草場(chǎng)灌溉,已具備了較好的經(jīng)濟(jì)條件,是未來(lái)偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和改善當(dāng)?shù)厝嗣裆顥l件的重要手段.

[1]朱俊峰,王世鋒,曹亮.太陽(yáng)能微噴灌溉試驗(yàn)分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2016,0(1):62-64.

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Automatic Control Irrigation System of Photovoltaic Water Pumping and Saving

Zhu Junfeng,Wang xingtian,Hou shiwen
(Institute of Water Resources for Pastoral Area,Ministry of Water Resources,Huhhot 010020,China)

Photovoltaic water pumping for irrigation has been widely used in many areas without conventional energy.And there have been a few unsteady and heterogeneous irrigation problems.Operational emitter's quantity was controlled through detecting main line pressure,controlling every branch's solenoid valve to ensure that all emitters can work normally.Irrigation amount of each branch was controlled through timing emitters that work normally to make all branches irrigation amount under normal working conditions be approximate,so as to ensure the uniformity of irrigation.The construction and operation costs of the system were greatly reduced which compared with conventional storage methods of water and energy.

Photovoltaic water pumping;water saving irrigation;automatic control

本文是水利部科技推廣項(xiàng)目--牧區(qū)人畜安全飲水風(fēng)光互補(bǔ)供水技術(shù)(SF-201614)和青海省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)--農(nóng)村牧區(qū)供水關(guān)鍵技術(shù)集成與示范(2016-NK-132)的部分科研成果.