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西班牙维戈塞尔塔: 一種分布式光伏集雨灌溉系統.pdf

摘要
申請專利號:

维戈塞尔塔vs皇家社会 www.vmyqew.com.cn CN201810479353.2

申請日:

20180518

公開號:

CN108770664A

公開日:

20181109

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A01G29/00,E03B3/02,E03F1/00,E03F5/10,H02J3/38 主分類號: A01G29/00,E03B3/02,E03F1/00,E03F5/10,H02J3/38
申請人: 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所
發明人: 龔道枝,王麗娟,梅旭榮,唐大華,郝衛平,李昊儒,高麗麗
地址: 100081 北京市海淀區中關村南大街12號
優先權: CN201810287577A
專利代理機構: 北京君智知識產權代理事務所(普通合伙) 代理人: 呂世靜
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201810479353.2

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明涉及一種分布式光伏集雨灌溉系統,突破了傳統發電和集雨方式,利用現有的光伏發電組件,在充分利用干旱、半干旱地區的太陽能資源發電的同時,利用光伏發電組件所構成的平面收集降雨,將收集的雨水用于農業灌溉水源,同時利用高效的灌溉方式——滴灌,可在一定程度上緩解了干旱半干旱地區種植農作物、果樹、蔬菜等灌溉用水水源緊張現狀,可增加當地農民的收益,同時光伏發電本身屬于清潔能源,具有較高的環保效益。

權利要求書

1.一種分布式光伏集雨灌溉系統,其特征在于,所述系統包括光伏發電子系統、集雨子系統以及灌溉子系統三部分;所述光伏發電子系統由光伏發電組件、光伏支架、導線、匯流箱、逆變器、變壓器組成。所述光伏發電組件安裝于所述光伏支架上部;所述集雨子系統包括光伏發電組件所構成的集雨面、集雨槽、匯流溝、攔污柵、沉淀池、水窖、排水溝;所述灌溉子系統包括水泵、灌溉控制器、輸水管、滴灌帶。2.根據權利要求1所述的系統,其特征在于,所述匯流箱與光伏發電組件利用導線進行連接,所述逆變器通過導線與匯流箱相連接,由光伏發電組件所產生的電大部分并入國家電網,部分用于灌溉子系統負載。3.根據權利要求1所述的系統,其特征在于,所述沉淀池位于水窖進水口處,所述水窖位于匯流溝的中部,所述水窖進水端設置有閘門。4.根據權利要求1所述的系統,其特征在于,所述輸水管出口端設置有閥門,所述滴灌帶在作物根部區域設置有滴頭。5.根據權利要求1所述的系統,其特征在于,集雨槽與水窖之間通過匯流溝相連,集雨槽所收集的雨水可在不同行列中循環,所述光伏發電組件與作物間隔一行布置。6.根據權利要求1所述的系統,其特征在于,雨水經過光伏發電組件進入集雨槽,多個集雨槽的雨水流入匯流溝,由沉淀池沉降進窖水流中的泥沙進入地下水窖,再經滴灌系統以供果樹灌溉。7.根據權利要求1至6中任一項權利要求所述的系統在干旱、半干旱地區集雨灌溉作物的用途。

說明書

本申請請求申請日為2018-04-03、申請號為CN 2018102875773、發明名名 稱為“一種分布式光伏集雨灌溉系統”為優先權。

技術領域

本發明涉及光伏發電與集雨灌溉領域,具體涉及一種分布式光伏集雨灌溉系 統。

背景技術

水土流失和干旱缺水是我國西北、華北和東北的干旱、半干旱地區農業生產 發展的主要障礙因素,這些地區降雨量少且分布不均,降雨期與作物生長需水關 鍵期錯位。這些地區有較大的農業增產潛力,若結合高效收集利用雨水技術,可 使這些地區的自然資源利用效率得到較大的提高,光伏發電組件一方面具有發電 的功能,另一方面由于有的憎水性能,是較好的集雨面,利用光伏發電組件集水 面形成徑流,將徑流貯存在一定的水窖中以供果樹等作物的需水關鍵期進行及時 補灌,既解決了光伏發電占地面積大的問題,也解決了干旱地區降水資源利用難 的問題,同時,利用光伏發電組件發電也可減少傳統火電網污染嚴重的問題。

目前西北、華北地區,光伏發電組件發電已經較為常用,而且經濟和環境效 益顯著,但目前僅僅只用發電這一種功能,本發明因地制宜,結合光伏發電組件 發電的發展現狀,利用光伏發電組件的性能,在發電功能不變的情形下,開發出 第二種功能,即利用光伏發電組件收集雨水進行田間農作物灌溉。在充分利用能 源的基礎上,收集有限的降雨來進行灌溉,因此,也可解決電網供電成本高、污 染嚴重的問題;還可以控制因建設光伏發電站帶來的水土流失問題,具有其獨特 的優勢。

發明內容

針對背景技術中所提及的問題,本發明旨在提供一種分布式光伏集雨灌溉系 統,以及利用該系統來進行灌溉的用途,所述系統在解決能源短缺的同時,能解 決水資源短缺以及實現灌溉的可控性,增強對干旱、半干旱地區雨水的富集和調 控的能力。

為達到上述目的,本發明提供如下技術方案:

一種分布式光伏集雨灌溉系統,其特征在于,所述系統包括光伏發電子系統、 集雨子系統以及灌溉子系統三部分;所述光伏發電子系統由光伏發電組件、光伏 支架、導線、匯流箱、逆變器、變壓器組成;所述光伏發電組件安裝于所述光伏 支架上部;所述集雨子系統包括光伏發電組件所構成的集雨面、集雨槽、匯流溝、 攔污柵、沉淀池、水窖、排水溝;所述灌溉子系統包括水泵、灌溉控制器、輸水 管、滴灌帶。

所述匯流箱與光伏發電組件利用導線進行連接,所述逆變器通過導線與匯流 箱相連接,由光伏發電組件所產生的電大部分并入國家電網,部分用于灌溉子系 統負載。

所述沉淀池位于水窖進水口處,所述水窖位于匯流溝的中部,所述水窖進水 端設置有閘門。

所述輸水管出口端設置有閥門,所述滴灌帶在作物根部區域設置有滴頭。在 本發明中,“作物根部區域”應當理解為作物根部周圍附近,在此處設置滴頭便 于滴灌。

集雨槽與水窖之間通過匯流溝相連,集雨槽所收集的雨水可以在不同行列中 循環,所述光伏發電組件與作物間隔一行布置。

雨水經過光伏發電組件進入集雨槽,多個集雨槽的雨水流入匯流溝,由沉淀 池沉降進窖水流中的泥沙進入地下水窖,再經滴灌系統以供果樹灌溉。

進一步地,本發明涉及將所述系統用于干旱、半干旱地區集雨灌溉作物的用 途。

有益效果:

1、本發明突破傳統灌溉方式,利用現有的光伏發電組件發電裝置,設計出 一套適用于干旱、半干旱地區集雨灌溉的系統,同時解決發電、灌溉水源和水土 流失的問題。

2、本發明具有高效、節能、清潔、環保等多項優勢,充分利用現有土地、 降水、光照等自然資源。高效節水灌溉,有效防止水土流失,提高作物產量的優 勢明顯。

附圖說明

圖1為本發明光伏集雨灌溉子系統結構剖面示意圖;

圖2為圖1整個系統的平面俯視圖;

圖3為圖1中沉淀池部分詳圖;

圖4為圖1集雨水窖的地下剖面圖;

圖5為本發明光伏集雨灌溉子系統平面布置圖

上述附圖中:

1-鋼筋混凝土基礎、2-光伏支架、3-光伏發電組件、4-雨水、5-集雨槽、6- 匯流溝、7-果樹、8-沉淀池、9-閘門、10-水窖、11-水窖、12-水泵、13-灌溉控制 器、14-閥門、15-滴灌帶、16-太陽、17-攔污柵、18-濾網、19-導線、20-匯流箱、 21-逆變器、22-變壓器、23-國家電網。

具體實施方式

下文將結合附圖對本發明的較優實施例進行詳細說明。

結合附圖1,在果樹5兩邊合適的距離處設置鋼筋混凝土基礎1,并使光伏 支架2與基礎結合牢固,通過調整支架的高度來使得光伏發電組件處于一個合適 的傾角,傾角的大小應根據當地的緯度及光照、降雨等條件綜合考慮確定,同時 光伏發電組件的高度和與果樹的間距滿足不影響果樹的正常生長,將光伏發電組 件3按照與果樹一定的間距固定在光伏支架上,當降雨時,支架上的光伏發電組 件是較大的集雨面。

關于光伏發電組件安裝方位角,考慮全年發電量最大,一般取安裝傾角為當 地緯度;如果需要比較精準的安裝傾角,可用相關的光伏軟件進行優化設計。

所述集雨槽與匯流溝相連一段渠底高程較匯流溝6處要高,便于雨水的在重 力作用下自行蓄積并通過匯流溝6進入水窖10。

所述集雨槽4的一端與匯流溝6連接而另一端封閉。

所述匯流溝6的與多個集雨槽4相連,在與水窖連接處設置閘門9。一端封 閉,一段開放,當水窖集滿雨水的時候,關閉水窖與匯流溝處連接的閘門9,將 多余的水排除。

所述水窖10與輸水管11連接處設置閥門14;

所述滴灌帶15在果樹7根部周圍,與輸水管11相連接,并且在果樹7根部 附近設置有小孔。與集雨槽垂直方向還設置排水溝。排水溝的設置作用在于,當 遇到特大暴雨,徑流超過果樹根部的耐淹深度時候,將多余的水分排除田間。

當降雨時,閘門4,雨水經過光伏發電組件到達集雨槽,進而將收集到的雨 水送至水窖,為保證灌溉的水質,在水窖進水口設置沉沙池,在池底布置入窖管 道,雨水可在重力作用下,自行流入窖中,水窖的大小應根據當地的水文氣象條 件以及根據灌溉需水量等來綜合考慮確定,當需要時,可修建多個水窖連通。當 水窖10中的水位達到一定的高度后,可關閉閘門7,將多余的水量排入排除, ?;す?免受澇害。當需要灌溉時,則可打開閥門8,利用輸水管8通過水泵 進行輸水,并利用滴灌帶15在果樹7的根部周圍進行滴灌,滴灌具有,節水效 率高,作物增產明顯等特點,另外,還可以利用光伏發電組件發電的一部分用于 給灌溉水泵加壓進行滴灌。

實例效果效益分析如下:

在河北張家口建設1個分布式光伏發電集雨灌溉系統。光伏發電站裝機容量 為10MW。占地總面積208畝,其中,紅提葡萄種植占地約56.2畝,用光伏發 電占地151.8畝。年發電量為1397萬kW·h。前期工程投資8324.79萬元,年 運行成本99.2萬元,年收益1478.76萬元,投資回收期為6年。年可節約灌溉水 5620m3。所發電為清潔能源,故可減少因燒煤發電排放的二氧化碳13075噸、42.7 噸硫化物和37.2噸氮氧化物。

系統基本情況

安裝標準太陽能電池陣列的輸出功率為10MW,正南方向,傾斜角為38。 依據年間發電量為最大,傾斜角為38°,日照數據使用張家口各月峰值日照數 平均值,取值3.5小時。太陽能電池組件,最大公稱輸出功率190W,最大公稱 輸出電壓35V,尺寸1600mm×800mm。支架間隔應保證按規范前后陣列之間陰 影損失最小,且對紅提葡萄生長的影響最小。選擇逆變器的直流額定輸入電壓為 DC300V,由于每個光伏發電組件的最大公稱輸出電壓為35V,一組件串中的串 聯數為9個,組件串的輸出功率為1710W,輸出電壓為315W,為了使總輸出功 率達到10MW,需要并聯5848個組件串,即光伏電池組件共有52632塊,每1MW 配2臺逆變器,整個工程配40臺500kW逆變器。組件的串并聯及尺寸設計如下: 每9個光伏組件電池串聯,然后在將3個電池組件并聯形成一整塊光伏發電組件 (集雨面),東西方向共有光伏發電組件50個整塊光伏發電組件,南北方向共有 發電組件39行,整個系統占地約208畝。其中葡萄種植占地約56.2畝,151.8 畝用光伏發電占地。

年發電量估算:EAC=K·P0·Yr

式中:EAC——光伏系統年發電量,kW·h;P0——光伏陣列額定功率,kW; Yr——年峰值日照數。h;K——綜合系統效率。查詢資料最佳的K值為0.84, 由上述公式年發電量估算為:

EAC=K·P0·Yr=0.84·10000·(3.5·365)=1397萬kW·h。

系統成本收益計算

對該工程進行成本收益計算如下。

前期投資計算

表1主要工程建設投資計算表

2)整個系統年運行費

表2整個系統年運行費

注:一般葡萄4月種植,9月基本能采摘完。

整個系統年收益

若按電價1.0元/kW·h,計算得發電可得的年收益為1397.00萬元。

根據試驗結果,40m3的水窖可基本滿足0.9畝紅提葡萄生長期的灌溉需水 量,實施灌溉后每畝增產300kg,單產達到每畝2300kg,按市場價格14元/kg。 如下表所示,每年種植紅提葡萄的毛收益為180.96萬元。

該系統年收益為1478.76萬元。

表3種植葡萄的收益

種植面積(畝) 單產(kg/mu) 總產(kg) 單價(元/kg) 總產值(萬元) 56.2 2300 129260 14.00 180.96

投資回收期

投資回收期(Pt):

其中,Pt—投資回收期,年;(B-C)t——第t年的凈效益,元;K——靜態總 投資,元。

計算結果:Pt=5.6年,即投資回收期為6年。

節水效益

根據調查,每年可以收集雨水約為26274m3,從而可節約水資源26274m3。 若每方水價為2.3元,可節約水費6.0萬元。

減排效益

光伏發電子系統在運行過程中,可用太陽能發電1397萬千瓦時。如果轉換 燃燒當量的煤(以每千瓦時消耗360g標準煤計算),則相當于燃燒5029t的標準 煤。按照燃燒1噸煤產生2.6噸二氧化碳、8.5kg硫化物和7.4kg氮氧化物計算, 約減少排放二氧化碳13075噸、42.7噸硫化物和37.2噸氮氧化物。

綜合上述分析,該發明將光伏發電與集雨灌溉有機結合,有效解決了作物種 植干旱缺水和發電工程引起的水土流失問題;采用可控制的灌水方式,合理調控 適宜的土壤含水量,能促進農作物提質增效;光伏發電和傳統的火力發電相比或 者與柴油機發電相比,可以減少化石能源的消耗,同時能減少溫室氣體和污染物 的排放;光伏集雨灌溉采取了集雨措施,減少了水土流失,增加可用于灌溉的水 量。因此,該項技術發明具有重要的經濟、社會及生態環境效益,具有廣泛應用 前景。

上述實施案例僅為本發明的優選的一種具體實施方式,但該實施案例并非用 以限制該發明專利的?;し段?,凡未脫離本發明的等效實施或變更,都應涵蓋于 本發明專利的?;し段е?,依據本發明專利精神所做的各種修改、添加和替換 等變化,都應包含在本發明專利所要求?;さ姆段е?。

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一種 分布式 光伏集雨 灌溉系統
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