乡村振兴背景下光伏提水灌溉技术在农业中的应用研究*——以广东云浮地区为例

叶金虎 ， 赖 明

（罗定职业技术学院，广东 云浮 527200）

云浮位于广东的北部，丘陵是云浮市主要地貌，多沿山地边缘发育，在总面积中，山区面积占60.5%，丘陵面积占30.7%，是典型的山区市。山地地势高，许多山地无法实现水渠自流灌溉；山地分散，东一片、西一片，修建灌溉水渠成本高，通过牵线引电成本高[1]。云浮市年均日照时长约为1 400 h，太阳能资源丰富；同时当地的农业产业比重大，各种水果、中药材、蔬菜都种植于较分散的山区林地，但由于灌溉条件差，经济效益不显著。光伏提水灌溉技术在农业灌溉中优势明显，不受地形限制、无需外拉电网、布局规模灵活，是农业现代化灌溉的新途径[2-3]，有利于改善山地的灌溉条件，提升农产品经济效益。

1 研究背景

广东省云浮市罗定市金鸡镇坪塘村，是广东省省定贫困村。该村很多山地用于种植辣椒、玉米、花生等经济作物，但是由于地势高，没有自流水渠灌溉，绝大部分经济作物下种后都需要靠人力挑水、浇水，或者临时牵线引电从下方河道进行抽水灌溉。随着留守人口老龄化加剧，种植积极性不断下降，原本种植泰国辣椒可以作为经济来源的一部分，但是随着劳动力数量的下降，种植积极性也不断降低。

为改善山地灌溉条件，课题组在经过多次实地调研后，提出了光伏提水灌溉方案，即将山地下方人工渠的水抽上来灌溉山地。

2 光伏提水灌溉系统设计

人工渠常年有水，垂直方向距离需要灌溉的山地高度落差约20 m～23 m，农业灌溉一般是早上、下午或者晚上进行，但这些时间段太阳辐射强度一般都比较弱。目前，普遍采用的方式是利用蓄电池将白天多余的电能储存起来，在没有太阳辐射或辐射强度不大的时候使用，但这种提水方式需要购置较多电池，投资成本高，不利于推广使用。课题组研究的光伏提水灌溉系统，太阳能板将太阳能转化为电能，驱动光伏水泵将低位的人工渠中的水抽到高位蓄水塔中[4-5]，在需要灌溉时利用高低落差灌溉或者增压灌溉。这样，浇灌时间就不限于有太阳辐射的时间段了。课题组设计的光伏提水灌溉系统由太阳能板、控制器、光伏水泵、蓄电池、蓄水塔、增压泵、灌溉管网等组成[6]，如图1所示。

图1 光伏提水灌溉系统示意图

2.1 光伏发电太阳能组件

本系统设计采用了3块同等规格的太阳能光伏板，其规格为：A级单晶硅板320 W功率，工作电压32.6 V，工作电流9.2 A，为了能够在日照强度不同情况下提取低位水渠里面的水，将2块太阳能板并联使用，并联的2块光伏板用于给光伏水泵提供电能；另外1块用于给蓄电池充电，储存电能。并联的2块光伏板采用标准光伏线、专用光伏MC4接头，防护等级为IP68，散热好，损耗低，使用寿命长。

光伏板组件采用固定式安装，安装支架采用行业内常用的镀锌钢型材，支架下方固定在水泥墩上。为保证光伏板能最大限度地吸收太阳辐射，光伏板南向安装，倾角17°。

2.2 控制器

本系统设计采用的控制器为“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking）控制器，简称MPPT控制器。光伏板将太阳辐射能力转化为电能输出后，通过控制盒转换输出后可以直接控制水泵电机工作或停机。控制器接线盒中设有太阳能板接线端子（输入）、光伏水泵接线端子（输出）、水位浮球开关接线端子（控制信号）等。控制器专为太阳能板设计，带有MPPT功能。当太阳辐射强度达到一定值时，控制器才可以驱动水泵提水至高位水塔。当太阳辐射强度不够时，水泵处于停止状态。水泵工作过程中，控制器可以根据太阳辐射强弱自动变频，从而调节电机转速。此外，当低位水渠的水位过低（低于光伏水泵进水口）时，控制器将水泵停机，避免电机空转损坏。

2.3 光伏水泵

光伏水泵型号采用3FLD3-35-24-300直流太阳能水泵，由太阳能板转换输出的直流电直接驱动[7]。水泵外径89 mm，最大流量3 m3/h，最大扬程35 m，工作电压为24 V，出水口直径32 mm。其水泵电机为永磁同步电机，泵在0～5 000转/分之间可以变频工作，运行效率高，体积小，安装方便，清理维护简单。现场测试验证，水泵在太阳辐射正常的条件下，1.5 h～2 h即可将4 t空水塔完全注满。

2.4 蓄水塔及灌溉系统

考虑到山地种植作物一般为辣椒、花生、番薯等农作物，灌溉不需要特别频繁，本系统设计采用4 t不锈钢立式水塔。水塔内安装浮球开关，浮球开关信号输出端连接到控制器的信号端子。浮球开关可以监测水塔的高水位和低水位信号，当水塔内水位不足且太阳辐射强度足够时，控制器会驱动光伏水泵开始工作，向水塔内抽水。当水塔水位上升至高水位时，浮球开关检测到水塔水满的信号，控制器使光伏水泵停止工作。水塔内装有24 V直流增压水泵，水泵出口为25 mm，流量可达到8 m3/h，扬程可达24 m。当灌溉管网内压力不足时，增压水泵开启，提高灌溉管网水压，保证灌溉管网末端水压。灌溉主管道、分管道均采用PE管，分管道末端接滴灌带。

3 控制流程图

光伏提水灌溉控制系统流程图如图2所示，当山地有农作物处于生长季需要灌溉时，按下控制器开关，启动MPPT模式，控制器对太阳能辐射强度进行实时跟踪。当检测到阳光强度足够且水塔水位没有到达上限水位时，控制器启动光伏水泵工作，开始向水塔中注水。当注水高度达到水塔上限水位时，控制器切断光伏水泵电源，停止注水。当水渠水位低于光伏水泵进水口时，控制器将水泵停机，以免水泵烧坏。

图2 光伏提水灌溉控制系统流程图

4 性能特点

1）MPPT控制器。光伏水泵控制器具备最大功率点跟踪技术（MPPT），运行过程中响应速度快[8]。很多时候，云浮地区的日照强度变化比较快，MPPT技术可以大大提高太阳能光伏板的能效利用率。

2）光伏水泵变频范围宽。光伏水泵变频运行时其转速范围为0～5 000转/分，能保证在阳光强度较差的时候也可以工作，从而保证最大限度地利用光伏板转化的电能。

3）水泵保护功能完善。光伏水泵在运行过程中要有完善的保护系统，如光伏板在不同的太阳辐射下可能出现过压、欠压、过流等情况，控制器要能够调节不同工况下水泵的输出。此外，光伏水泵电机还需要具备堵转自停、水源缺水停机、短路保护等功能。

4）高位水塔蓄水蓄能与增压泵结合使用。水塔安装位置较高，光伏水泵提水至水塔中蓄水蓄能。水塔设计高度3 m，出水口距离灌溉位置的高度差为2.5 m～4 m，灌溉量不大时，可以直接自流滴灌；当灌溉位置远、自流水压小的时候，可以开启增压水泵进行增压滴灌。水塔中满水后，傍晚或者次日早上农户灌溉放水后，当日照强度达一定值时，又会启动光伏水泵提水将水塔注满，如此循环，若遇到干旱严重时节，则不同地块轮流浇水，亦可满足使用需求。根据实际种植户的需要，也可以边抽水边浇灌。

5）水塔水位监测。水塔水位设置高、低水位监测功能，当蓄水池水位高于标定的高水位时，光伏水泵停止提水；低于低水位时，恢复提水。水位监测传感器与光伏板控制器连接，通过水位信号控制光伏水泵的启动与停止。

6）系统成本低。光伏提水灌溉系统，安装地点不受限，光伏板、水塔占地面积小，系统造价成本低，本文试验中的光伏提水系统投入总价不超过一万元，且后续维护成本非常低。相比于电力泵站、柴油机抽水灌溉等传统方案来说，投入成本低廉，具有广阔的推广应用空间[9-10]。

5 结语

课题组设计的光伏提水灌溉系统，以太阳能为能源，采用光伏水泵提水蓄能，充分利用太阳能这一清洁资源，成本低，安装布局灵活，经实际使用验证，明显解决了现有山地灌溉难题，有效提高了农作物种植效益，提升了农户种植积极性。云浮地处粤西山区，很多自然村都存在灌溉条件不足的问题，通过推广光伏提水灌溉技术，可以较低成本地解决农民灌溉难、种植积极性低的问题，原有的荒地面积大大减少。同时，光伏提水灌溉对于促进我国光伏能源产业发展、提升现代种植业水平具有较大战略意义。