光伏新能源驱动雨水收集再利用及其在小农场中的应用

谢瑛珂，龚恒翔，廖　飞，张　力，李　建

(1.重庆理工大学 光电信息学院，重庆　400054; 2.重庆市北碚区朝阳小学校， 重庆　400715)

光伏新能源驱动雨水收集再利用及其在小农场中的应用

谢瑛珂1，龚恒翔1，廖飞1，张力2，李建2

(1.重庆理工大学 光电信息学院，重庆400054; 2.重庆市北碚区朝阳小学校， 重庆400715)

摘要：在中国，能源与水资源的缺乏与低效率使用已经成为制约经济发展的瓶颈。光伏新能源和雨水收集再利用是实现绿色能源应用、水资源保护和“节能减排”目标的有效途径。将光伏发电技术与雨水收集再利用有机结合，设计了光伏新能源驱动雨水收集再利用系统以实现灌溉，并在重庆市北碚区朝阳小学智慧生态小农场进行了试验，取得了良好效果。

关键词：光伏；新能源；雨水收集；灌溉；智能化

经过近30年的高速发展，中国的经济规模已经位居世界第二位，随之而来的是对能源和资源需求量的快速提高。能源消耗增长率不断提高，能源供需缺口不断扩大，使得中国各种能源的对外依存度不断升高，已经危及我国的经济安全[1]。光伏新能源是直接把太阳能转化为电能的新能源，随着该技术的发展，光伏发电单位功率成本已经达到可接受的水平。预计到2050 年，接近50%的全球电能需求都是通过太阳能方式满足。中国已经成为全球光伏组件产能和产量最大的国家，但光伏发电量却不足全国发电量的0.1%，远低于德国4.5%的水平。因此，中国政府自2013年以来发布了多条促进光伏产业发展的政策、规划和指导意见，积极推动发展分布式光伏发电[2-3]。水资源是人类赖以生存与发展的重要资源，水资源短缺是当今世界各国共同关注和高度重视的一个全球化问题。中国水资源总量约占全球总量的6%，但人均占有量只有世界平均水平的28%，是一个严重缺水的国家，特别是灌溉用水的利用率只有约0.5，而世界先进水平为0.7~0.8[4]。以生产单位国内生产总值(GDP)用水量为指标，每万美元GDP我国的用水量远超过发达国家[5]。生活中，大水漫灌现象在很多农村和城市园林中是非常普遍的现象，同时，水环境污染严重，导致水生态明显退化，水质普遍恶化，各种突发性水污染事件频繁发生。

综上，积极研发和推广新能源技术、水资源合理循环利用技术是非常必要和紧迫的任务。就重庆市而言，虽然辖区内有长江、嘉陵江等河流分布，年均降雨量远高于国内大部分省份，但水资源依然紧缺。典型的例子是我市东部的黔江、秀山、彭水和酉阳等地，为喀斯特地貌密布，虽然年均降水量不少，但由于地质结构特点，不易蓄水，山区生产、生活用水困难。以上地区山高林密、交通困难，电网覆盖不足，用电的稳定性无法得到保障，采用提灌方式解决生产、生活用水问题存在极大的困难和极高的成本。水资源和电力供应的难题成为阻碍有效改善当地民生问题的重要资源障碍，也为当地生态旅游开发、特色农产品的种养殖和深加工带来很大的困难。与国外相比，国内通过雨水收集再利用实现灌溉的应用较少，且基本都需要依赖市电来驱动[6-8]。基于此，本文以太阳能为初级能源，通过光伏发电技术将其转换为电能，驱动雨水回收系统完成自然降水的收集、过滤、储存和灌溉，完整地展示了光伏发电技术和雨水回收再利用技术的过程，并应用传感器等电子器件，体现了“智慧农业”的特点。本系统已在重庆市朝阳小学智慧生态农场中建设和应用，为中小学生的科普起到一定的示范作用。

1系统设计

光伏新能源驱动雨水收集再利用系统设计如图1所示。其中，整个系统由供电系统、雨水收集系统、传感与控制系统和灌溉系统4个部分构成。

图1　光伏新能源驱动雨水再利用系统

供电系统采用分布式并网模式，包括光伏阵列、公共电网和并网逆变器。太阳能电池组件光伏阵列通过串联方式连接。为防止直击雷和感应雷对整个供电系统的影响，安置了避雷针，并在每路直流输入主回路内装设浪涌保护装置。光伏组件通过并网逆变器把来自光伏阵列输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电，并输送给公共电网。并网逆变器同时提供孤岛效应防护最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,MPPT)和并网保护等功能。负载供电由公共电网提供。有市电网络但供电稳定性差的地区可以采用离网市电互补模式，无市电网络覆盖地区可以采用离网分布式供电模式产生和提供系统工作电能。

雨水收集系统包括集雨装置和蓄水池两部分。集雨装置以阵列的形式平均分布，实现最大效率的雨水收集，同时根据安装现场的实际情况对角度、口径、质量和遮光等问题进行了考虑。收集到的雨水通过软管流入蓄水池，经沉淀后实现灌溉。雨水的流动通过控制直流泵的开关来实现。在蓄水池安装液位传感器来实现水位监控，防止溢流。

传感与控制系统是保证整个系统有效运行的核心。植物的需水量根据种类、生长阶段的不同而存在差异，最适当的灌溉时机是植物刚出现缺水现象的时候。影响灌溉用水量的因素主要有土壤条件、气象条件和植物栽培条件3种，针对不同的季节和不同的植物种类、栽培密度，采用不同的灌溉方式既可以节省水资源，又可以实现合理有效的灌溉。基于此，采用不同的传感器完成对空气环境温湿度、土壤温湿度和土壤PH值等参数的实时监控，并通过监控数据来控制灌溉时间和灌溉水量。同时，采用直流阀，针对不同的植物控制灌溉的时间、周期和灌溉水量，做到有的放矢，这是实现有效灌溉的手段之一。因此，各种传感器接入传感与控制系统，并通过系统内置处理器实现对直流阀的开关控制和对直流泵开关及转速的控制，从而实现智能化灌溉。

2光伏新能源驱动雨水收集再利用在农场中的应用

结合重庆市北碚区朝阳小学教学科研用智慧生态小农场进行了光伏新能源驱动雨水收集再利用系统的设计与施工。北碚区朝阳小学位于东经106°18′14″~106°56′53″，北纬29°39′00″~30°03′53″之间，其智慧小农场面积约为45m×45m，图2所示为小农场俯视图。北碚地区近50年平均日照时数约为1 117.8h，主要集中在春、夏两季，全年太阳总辐射量为365kJ/cm2，无霜期达359天，辐射资源在全国属于Ⅳ类地区[9]。年总降雨量为1 156.8mm，属于降雨量比较丰富的地区[10]。

太阳能电池组件选用无锡尚德200W多晶硅太阳能组件，标称功率为200WP，开路电压为26.2V，短路电流为7.63A。如图3所示，为减少小农场树木和周围建筑物对太阳能电池组件造成遮挡而导致的热斑效应，防止工程对小农场的破坏，太阳能组件阵列通过金属杆支撑，距地面2.4m，太阳能电池组件阵列方位角为180°，最佳阵列倾角确定为30°。共安装12块太阳能电池板，总功率为2 400WP。

图2　北碚区朝阳小学智慧生态小农场俯视图

图3　太阳能电池组件阵列

并网逆变器采用合肥阳光电源股份有限公司出品的SG2K5TL型无变压器型并网逆变器，最大输入功率为2.8kW，额定交流输出功率为2.5kW，最大功率点跟踪电压范围150~380V，同时具有过压保护、对地故障保护、孤岛效应保护、过载保护和短路故障保护等完善的保护功能，并具有内置逆变采集器和RS485通信接口，可方便地获取逆变器的运行参数。

集雨装置顶部口径过大、整体高度过低，会对地面植物产生遮挡，影响植物的生长环境，但如果设计高度过高则需要增加防倾倒拉锁等装置，增加了产品成本以及安全隐患。本系统设计的集雨装置如图4所示。整个装置采用碳钢材料制作，距离地面高度为2m，内部为中空结构，表面做了防锈处理。装置顶端有不锈钢网孔作为顶部滤网，防止落叶污染物掉入堵塞管道。集雨罩壳有直径1 200mm和400mm两种，采用倒锥形设计，可以更大效率收集雨水，同时防止遮盖地面植物，集雨装置阵列如图5所示。收集到的雨水通过导水软管流入蓄水池中。系统共设计有2个蓄水池，根据小农场面积、以往灌溉需水量和灌溉时间，设计每个蓄水池体积为1m3。其中1号蓄水池与集雨装置连接，对采集到的雨水沉淀过滤，然后通过1个直流泵抽入到2号蓄水池中；2号蓄水池通过1个直流泵与灌溉系统连接。蓄水池中装有水位传感器，并设计有自来水旁路，可自动根据蓄水池液位的变化由直流泵实现排水或者通过直流电磁阀实现自来水补水。直流泵采用普兰迪PLD-1206型微型水泵，工作电压为DC12V，功率为45 W，水泵可实现平均3.5 L/min的流量，满足灌溉的供水需求。

图4　集雨装置

图5　智慧生态小农场集雨装置阵列

为实现长时间、小水量的喷灌，考虑到小农场植物多为花木类植物以及一些农作物，系统设计采用空中喷洒和滴灌两种方式实现灌溉。其中，空中喷洒覆盖直径约为5m，可增加空气湿度及调节温度。滴灌围绕整个农场地面铺设，灌溉水经过滴嘴以水滴的形式进入土壤，以提高灌溉水的利用率。

光伏新能源驱动雨水收集再利用于2014年10月在朝阳小学智慧生态小农场调试成功，系统运行正常，符合光伏系统并网技术要求[11]，已经在电力部门的许可下并入电网工作。近期运行结果表明：该系统可以满足对小农场的植物灌溉需求，其示范作用得到了校内外师生的一致好评。下一步将在小农场系统中增加传感器器件，并根据植物品种和类别，通过中央处理器做到有针对性、高效率的智能化灌溉，进一步实现光伏新能源与“智慧农业”的结合。

3结束语

光伏新能源驱动雨水收集再利用系统是对我国大力倡导的“节能减排”的一种尝试，该系统实现了自然界中太阳能与降雨的有机结合，既实现了绿色新能源，又实现了节约用水和对水资源的保护。同时，系统在重庆市北碚区市级示范小学朝阳小学智慧生态小农场进行了建设与使用，为普及小学生新能源与水资源知识起到推动作用。通过对学生的展示以及校级间的相互交流，提升了公众对光伏新能源与“智慧农业”的认识，加深了保护能源与水资源的意识，对未来发展和普及光伏新能源、提高水资源的利用与保护具有一定的积极意义。

参考文献:

[1]张茉楠. 迈向经济强国的全球能源资源战略[J]. 宏观经济管理, 2014(8):67-69.

[2]佚名. 国家能源局关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知[J].太阳能, 2014(9):6-9.

[3]陈炜，艾欣，吴涛，等. 光伏并网发电系统对电网的影响研究综述[J].电力自动化设备, 2014(23):26-39.

[4]孙永平, 李元华. 全面普及节水灌溉新技术 提高农业灌溉用水利用率[J]. 吉林农业, 2014(3):54-54.

[5]张亮. 未来十年中国水资源需求展望[J]. 发展研究, 2013(11):12-14.

[6]Johann,Gnadlinger. 巴西半干旱地区干旱和气候多变情况下的雨水收集[J].JournalofSoutheastUniversity：englishEdition, 2014(2):164-168.

[7]MelvilleSP,WardSR,ButlerD.对英国住宅区域几种新型雨水收集利用系统的初步可持续性评估[J].JournalofSoutheastUniversity：EnglishEdition, 2014(2):135-142.

[8]于宵.城市道路路面雨水收集与利用系统设计[J].城市道桥与防洪, 2013(6):110-114.

[9]张爽,李光兵,汪志辉，等.北碚区近50年日照时数变化特征分析[J]. 西南师范大学学报：自然科学版, 2013(11):127-131.

[10]万敏,李家启,张爽，等.北碚区降水时空分布及变化趋势分析[J]. 西南师范大学学报：自然科学版, 2013(7):122-128.

[11]B/T19939—2005.光伏系统并网技术要求[S].北京:中国标准出版社, 2005.

(责任编辑刘舸)

收稿日期：2015-01-15

基金项目：重庆市科技攻关计划项目(cstc2013yykfA0223)；重庆市巴南区科技局资助项目(2012Q125)；重庆市科学技术委员会应用技术开发项目(cstc2012gg-yyjs90009)

作者简介：谢瑛珂(1979—)，男，四川富顺人，硕士，讲师，主要从事光伏新能源及其应用研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.012

中图分类号：TK01

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2015)07-0065-04

InvestigationandApplicationofPhotovoltaicEnergyDriveRainwater
CollectionandReuseinaSmallFarm

XIEYing-ke1, GONG Heng-xiang1, LIAO Fei1, ZHANG Li2, LI Jian2

(1.CollegeofOpticalandElectronicInformation,

ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China;

2.ChongqingBeibeiChaoyangPrimarySchool,Chongqing400715,China)

Abstract:The shortage and waste of energy and water resource have already become the bottleneck of restricting economic development in China. Photovoltaic energy and rainwater collection and reuse are the effective way to realize the goals of green energy application, water resource protection, energy-saving and emission-reduction. A system was designed by combining photovoltaic and rainwater collection and reused to realize irrigation. The system was tested in ecological wisdom small farm of Chongqing Beibei Chaoyang primary school, and good results have been achieved.

Key words:photovoltaic; new energy; rainwater collection; irrigation; intelligentize

引用格式：谢瑛珂，龚恒翔，廖飞，等.光伏新能源驱动雨水收集再利用及其在小农场中的应用[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2015(7):65-68.

Citationformat：XIEYing-ke,GONGHeng-xiang,LIAOFei,etal.InvestigationandApplicationofPhotovoltaicEnergyDriveRainwaterCollectionandReuseinaSmallFarm[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology:NaturalScience，2015(7):65-68.