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光电控水技术及其应用研究

光电控水技术及其应用研究

 

光电控水技术发明人   周学东

 

关键词:太阳能发电 光电控水 光电控水工程 光电控水车 应用场合 应用优势 应用前景

 

水是生命之源、生产之需、生态之基,农业生产离不开水,充足的水源才能保障农作物的正常生长。我国地大物博,自然降雨远远无法满足农业生产需求。2020年,我国农业用水3612.4亿立方米,占全社会用水总量的62.1%1,其中绝大部分用于耕地、林地、园地、牧草地灌溉,灌溉技术的更新换代对我国资源、经济、社会的影响深远。

 

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光电控水技术不仅为农业灌溉产业升级提供了可能,还可以在城乡供水、人畜饮水、水产养殖、污水净化、生态环境治理等方面发挥重要的作用。

 

一、光电控水技术介绍。

光电控水技术基于龙卷风虹吸原理,以太阳能光电为动力,在智能数字监控平台的控制下,针对各种地形地貌、水文变化和气象信息,实现对水资源的远程、全域性、网格化、大流量的科学调控,是跨学科、跨领域的创新技术。

光电控水系统包括智能数字监控平台、互联网、信息采集系统、太阳能板、机械动力、供水管网、龙卷风虹吸变频系统等组成。

运行过程中,太阳能板光电转换产生的直流电源被逆变为380伏交流电,为智能数字监控平台、信息采集系统、机械动力、龙卷风虹吸变频系统等提供电源。

龙卷风虹吸变频系统提供水源的引水、提升等动力,实现水的远距离输送和提升。信息采集系统采集水源地和给水区地形地貌、水文状况、气象信息、水储量、供水量等信息。智能数字监控平台根据用户输入信息或系统采集数据,制定供水时间、水流大小、花样等方案参数,对信息采集系统、太阳能板、机械动力、龙卷风虹吸变频系统等的工作同过互联网和GPS进行控制,从而根据人为设置或者采集的信息等实施自动供水。供水时间、大小、花样等方案参数也可以人为地进行修改。智能数字监控平台具有自我学习功能,在长期运行和学习后,其自动供水的方案将更加符合用户需求,进一步节约人力成本。智能数字监控平台包括智能中控和移动通信设备,可以在互联网的辅助下,通过智能中控或移动通信设备和GPS,远程观测供水管网上的每一环节并进行操控。采用光电控水技术,可进行水系联通、供水管网互联互通、水利调水(引水)等,从而实现农田灌溉、人畜饮水、生态环境治理等供水目标。

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二、光电控水技术在农业灌溉中的应用。

经过多年的研究,第一个光电控水工程在2012年如期完成,标志着光电控水技术在农业灌溉中的成功运用。此后,光电控水技术和系统在实践中不断得到完善,系统的功能和效率得到巨大的提升。

光电控水工程采用大口径管道或与露天水渠相结合,形成供水管网,把灌溉用水从江、河、湖、水库或蓄水池等输送到田间地头或灌溉用蓄水池。龙卷风虹吸变频系统为引水和提水提供高效的动力,可实现远距离、大扬程和大流量供水。供水管网的末端设置水表和摄像头采集出水量,蓄水池设置水位计采集储水量,田间地头设置土壤湿度检测仪,可以人工打开管道末端的阀门开始灌溉或取水,也可以由智能数字监控平台根据采集的信息和近期天气预报信息,自动打开阀门实施灌溉或取水,或者自动关闭阀门,从而实现对灌溉的智能控制。

目前,光电控水技术被广泛应用到海南省各个市县,及东南亚的柬埔寨、老挝等国,甚至远至非洲。

在国内已累计完成60多项光电控水工程建设,共解决了27个村庄累计2万多人的用水问题和近10万亩土地的灌溉问题,有的工程项目至今已运行9年,状况依然良好。其中,陵水县提蒙乡高岭村智能光电控水系统调水灌溉工程、三亚市崖州区梅山片区渠系改造及配套工程、三亚市育才区雅亮村光电控水灌溉工程是工程中的典范。

陵水县提蒙乡高岭村智能光电控水系统调水灌溉工程系统总装机容量为335千瓦,年发电量为1206000千瓦/小时,按设备使用寿命25年计算可发电30150000千瓦/小时,节约电费1809万元(0.6元/度),可节约标准煤12060吨、减少碳粉尘排放量8200.8吨、减少二氧化碳排放量30059.55吨、减少氮氧化物排放量452.25吨、减少二氧化硫排放量904.5吨。

三亚市育才镇雅亮村光电控水灌溉工程项目经过三个月的施工,于2019年5月正式启动,山坡上安装一条约300米长的光伏板走廊,直径20厘米的水管将大隆水库的水转移到扎吉水库蓄存,供村民灌溉田地。该项目的光电控水设备装机容量为252千瓦,扬程250米,日供水量约3000立方米,为雅亮村周边近2000 亩土地提供灌溉用水,一年四季全天候供水,盘活此前因缺水长期弃耕的土地,农民收入有所提升,许多家庭极度贫困的生活面貌得到改变。

柬埔寨绿洲公司基地在2017年建设两套光电控水系统,第一套设备为9.2千瓦,太阳能板装机容量16.56千瓦,扬程70米,日供水量300立方米,第二套设备为5.5千瓦,装机容量9.9千瓦,扬程48米,日供水量300立方米,两套系统给1000亩香蕉示范基地提供灌溉用水。设备安装后运行稳定,促进了柬埔寨农业的发展,得到了海南省农业厅领导及柬埔寨领导和当地农民的高度认可,受到了很高的评价。

光电控水工程需要进行部分施工,固定安装智能中控、太阳能板、机械动力、供水管网、龙卷风虹吸变频系统等,适用于远距离、大面积灌溉。对于灌溉面积小、地点分散的农田和山地,采用可移动式光电控水车搭载光电控水系统,实施灌溉。

光电控水车以全闭环方式运行,车体自带太阳能供电装置,在阴天和弱光的环境下仍可正常运行。工作时,只需将光电控水车停放在水源地附近,从车内引出输水管道,一端连接水源地(河流、湖泊、水库、山塘等),另一端连接用水区域,启动车载设备后就能顺利输水。灌溉结束,光电控水车开到另一个灌溉点进行灌溉。光电控水车具备的灵活性、机动性,很好地解决了农业灌溉和水产养殖最后一公里的供水问题,贯通了大量散布的农田、山地。

 

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由于不需要任何施工工程,所以光电控水车的使用不受地形、地貌和温差的限制,可以盘活偏远的土地,无渗漏、无蒸发、可计量,取水方式灵活,供水距离可达几十公里。系统规模可根据距离的远近和土地面积的大小调整,保障农业生产的顺利进行,是抗旱应急的最佳节能减排设备,可实现平时用于农业灌溉,“战时”便于抗旱防火。

目前昌江黎族自治县七叉镇重合村在用的光电控水车,负责全村500亩农田的灌溉,毎日可运行10小时,每小时输水量达80立方米,有效替代传统的柴油机和电灌站,使得弃荒的土地得到复垦,改变了农耕依靠降雨的囧境。

 

三、光电控水技术的优势

我国是农业大国,农业灌溉关乎生活必需品的供给,因此,农业灌溉在我国由来己久。传统的农业灌溉利用地形地势,让水源从地表高处流向低处,采取畦灌、沟灌、淹灌和漫灌等方式进行。但这种方式耗水量大,容易造成渗漏、蒸发、流失,水的利用率低,受地形限制明显,仅适合高处有水源的平原地区和少数山区,地形复杂且无法修建渠道的地方难以普及。

抽水机的出现部分克服了地形限制,可以从低处提水进行灌溉。但常用抽水机的动力来源主要为柴油、汽油和市电,柴油机和汽油机的油耗成本大,具有尾气污染,增加碳排放的弊端;电动机的使用依赖于市政供电,在幅员辽阔的农田、山地、草原、偏远地区等的使用受到极大的限制。

相比较而言,光电控水技术具有明显的优势。

光电控水系统以太阳能供电,不受市电限制,可实现远距离、大流量、高扬程的调水,能满足对远离水源和市电的地区的供水。

光电控水系统一次性投入,建成可以使用2025年,甚至更长时间;运行过程不需要消耗市电和化石能源;智能数字监控平台自动唤醒系统、规划灌溉方案、开启和停止灌溉,设备运行高度自动化和智能化,只需专门人员跟踪设备运行状况,灌溉成本大幅度降低。

该技术代替传统灌溉技术,摆脱了对传统电力电网和石化能源的依赖,减少碳排放;在偏远地区的应用,可盘活大量的荒地和山地,使荒地得到复耕,山地得到还林,造就绿水青山的美丽景象,是实现碳达峰、碳中和目标的助力器。

供水管网的使用、太阳能板安装位置的规划,减少了水资源在输送过程中的渗漏和蒸发;智能数字监控平台的合理规划、科学调配、按需实施灌溉,提高了灌溉水源的使用效率,减少水源浪费。在我国农业灌溉用水量巨大、农田灌溉水有效利用系数仅有0.5651的背景下,高质量节水灌溉技术的升级,将大幅度减少灌溉用水消耗总量。

光电控水技术让原本被动的农业生产变为主动,盘活弃荒的土地,让土地保值增值,降低生产成本,帮助农民获得实实在在的收益;较好地解决农村集体与农民个人之间灌溉电费支出分摊的问题,也解决了农民与农民之间由于缺水而长期存在的用水矛盾,是服务三农、巩固农村脱贫攻坚成果的有力抓手,对实现乡村振兴起到很好的推动作用。

四、光电控水技术的应用前景

通过光电控水技术在海南省和东南亚各国的成功经验,可以预见其在灌溉领域的光明前景。

除此之外,光电控水技术目前正在尝试与水储存、水处理设备结合,用于农村饮用水供应,与混肥搅拌罐连接,用于智能化供水、供肥,并在一些小项目中取得初步成果。

从理论上讲,所有需要供水的场景,如水景和内湖水体循环改良、城市污水循环处理、植树造林、草场种植、森林防火、沙漠治理、畜禽水产养殖等,都可以运用光电控水技术,并具有前述优势。

 

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(本文作者系海南省南海英才、高层次拔尖人才,光电控水技术及“和周”牌光电控水车发明人。为海南广源隆节能环保股份有限公司董事长,海南广源隆太阳能应用科学研究所所长,东亚水环境可持续发展研究中心研究员,九三学社中央委员会第十三、十四届中央促进技术创新工作委员会委员,九三学社海南省促进技术创新委员会副主任。)

 

 

参考文献

1]中华人民共和国水利部.2020年中国水资源公报


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