CN106613761A - 一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统 - Google Patents

一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，包括能源系统，灌溉系统，监测系统，数据传输系统，中央处理系统，管网与动力提升系统，输配电及并网发电系统，以及辅助系统；通过风力发电设备、太阳能光伏发电设备、滴灌设备、微喷灌设备、低压管灌设备、土壤墒情监测设备、作物光谱发射率监测设备、数据传输设备、CPU处理器、蓄水池、超声波测距仪、空气压缩机、扬水机、PVC‑U农灌管、逆变器、配电室、水源过滤器、文丘里自动施肥器这些设备的安装，以“风光互补”的清洁能源模式为基础，将山丘区稀缺的水资源集聚起来，实现“零存整取”，并在满足山丘区作物灌溉的同时，实现节水、节能、节肥、增收的诸多目标。

Description

一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统
技术领域
本发明涉及一种节水灌溉综合调控系统，特别是涉及一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，属于清洁能源和节水灌溉技术领域。
背景技术
山丘区是山区和丘陵区的合称。其中，山区主要是指地表形态起伏陡峭，绝对高度在500米以上，相对高度超过200米的坡面组合体，丘陵主要是指地表形态起伏和缓，绝对高度在500米以内，相对高度不超过200米的坡面组合体。山丘区与平原相比，由于地势的原因，在雨水的冲刷下易造成水土流失，加之山丘区人烟稀少，交通不便，缺少基本的能源、水源等物质和设施，如果没有有效的节水灌溉方法和充沛的能源供应，山丘区是不适宜发展规模化农业。
目前，有三种在山丘区种植作物的模式：第一，雨养种植；在一些降雨较为充沛的湿润区和半湿润区，年降雨量大于作物的灌溉定额，凭借山丘区的海拔和气候条件，可以实行自然灌溉和管理。第二，人力种植；在一些海拔不高的丘陵地区，由于年降雨量可能小于作物的灌溉定额，这时候人们往往会依靠自身，在这些丘陵地区修建集雨池，在需要灌溉的时候，还会从山下将水运输上来，补充灌溉。第三，高空灌溉；在个别规模较小的具有集成示范效应的山丘区，可以使用无人机或是小型飞机对种植的作物进行喷洒灌溉。
以上三种山丘区种植方法均存在不足和缺陷，如：雨养种植，这是一种“靠天收”的种植方式，依靠气候和地理条件进行种植，一旦出现极端气候，将会面临严重的自然灾害和农业损失；此外，由于雨养种植的种植过程中，降雨量发生的时期不可能完全和作物生育期的需水时间吻合，因此无法做到以需定供，种植的作物的品质也一般；由于这种种植方式对气候要求高，因此在半干旱或干旱地区无法进行。人力种植，最大的障碍在于管理和人力成本极高；在缺水的时期，人们需要从山丘区下面提水至山丘区中上部，整个过程费时费力、效率低下，只适用于一些气候条件较好，海拔较低的种植园；此外，这种方式不适用于规模化的种植。高空灌溉，对于大面积的种植来说是一种很方便、高效的灌溉方式，但是前期投入成本巨大，且单价无人机或小型飞机的灌溉面积也很有限，往返补水的时间和过程也很费时费力。
在实践过程中，一些学者和科创人员利用清洁能源进行山丘区节水灌溉，并提出诸多好的思路和创新。例如：中国发明专利文献CN 104912152A介绍了一种山丘区输水工程安全运行调度系统及安全运行调度方法，涉及一种输水工程安全运行调度系统，特别涉及一种山丘区多起伏、长距离、高扬程具有加压输水和有压重力流输水方式的复杂输水系统的安全运行调度系统；中国发明专利文献CN 104221815A介绍了一种山丘区集雨太阳能光伏提水灌溉系统，采用大功率水泵和小功率水泵并列的方式，能更好地把光伏热能转化为电能，成功地用蓄水代替蓄电，以空间换取时间，延长灌水时间，大幅度降低造价，有助于大面积推广；中国实用新型专利文献CN 203465153U介绍了一种山丘区输水管道试压装置，该试压装置可以连续试压，能节约工期，减少耗水量，节约工程投资；中国实用新型专利文献CN 204796154U介绍了一种山丘区水锤泵提水灌溉木薯的系统，通过水源落差产生的水锤效应将水提至高位水池，是一种节能环保的技术，不间断地自动提水，结合高位水池，实现“提蓄结合”，根据木薯生产的需要，进行灌溉和施肥。
当前，风能发电和太阳能光伏发电的技术已经相当成熟。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速为每秒9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；国产太阳能光伏晶体硅电池效率在10至13%左右，国外同类产品效率约12至14%，若采用双轴跟踪方式，系统实际发电量可提高约25%。因此，开发一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，利用清洁能源进行山丘区节水灌溉是有益之举。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，利用清洁能源将山涧、山谷的零星水源提调到山丘区，实现水资源的“零存整取”，在满足山丘区作物灌溉的同时，实现节水、节能、节肥、增收的诸多目标。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，包括能源系统，灌溉系统，监测系统，数据传输系统，中央处理系统，管网与动力提升系统，输配电及并网发电系统，以及辅助系统；
所述能源系统包括风力发电设备和太阳能光伏发电设备，用于将风能和太阳能转化为风光互补的清洁电能，并为监测系统、数据传输系统、中央处理系统、管网与动力提升系统和辅助系统供电；
所述灌溉系统包括蓄水池，均与蓄水池相连的滴灌设备、微喷灌设备和低压管灌设备；灌溉系统用于对山丘区的种植作物进行节水灌溉；
所述监测系统包括土壤墒情监测设备、作物光谱发射率监测设备和超声波测距仪，所述土壤墒情监测设备用于对山丘区种植作物中的低矮作物进行土壤墒情监测，所述作物光谱发射率监测设备用于对山丘区种植作物中的高株作物进行缺水态势监测，所述超声波测距仪用于对灌溉系统中的蓄水池进行水位监测；
所述数据传输系统包括数据传输设备，用于对监测数据进行传输；所述监测系统通过数据传输设备与中央处理系统相连；
所述中央处理系统包括CPU处理器，用于对监测数据进行处理分析，并输出分析结果供能源系统、灌溉系统、管网与动力提升系统、输配电及并网发电系统和辅助系统进行执行；
所述管网与动力提升系统包括PVC-U农灌管、空气压缩机和扬水机，所述空气压缩机和扬水机相连构成气压扬水机、用于在能源系统供电作用下将山涧和山谷中的零星水源通过PVC-U农灌管提调到蓄水池中；所述PVC-U农灌管根据山丘区的地势由高到底铺设，使得滴灌设备、微喷灌设备和低压管灌设备通过PVC-U农灌管的串并联与蓄水池相连；
所述输配电及并网发电系统包括逆变器和配电室，能源系统通过逆变器与配电室相连，用于将能源系统发电的多余直流电能转化为交流电能并入公共电网；
所述辅助系统包括水源过滤器和文丘里自动施肥器，所述文丘里自动施肥器用于对山丘区的种植作物进行智能施肥；所述水源过滤器安装在滴灌设备、微喷灌设备或低压管灌设备上，用于过滤水源中的颗粒物。
本发明进一步设置为：所述辅助系统还包括无人机，所述无人机用于对山丘区的种植作物进行高空灌溉。
本发明进一步设置为：所述风力发电设备和太阳能光伏发电设备均为数量相同的若干台，每台风力发电设备配套一台太阳能光伏发电设备、且控制的作物种植面积为20亩。
本发明进一步设置为：所述蓄水池的规模按照扬水机10m、20m、30m的扬程分别修建40-200m3、30-150m3、20-100m3的池大小，每座蓄水池控制的作物种植面积为10亩。
本发明进一步设置为：所述蓄水池的池底安装有PE滤网和斜管，所述斜管输出经PE滤网过滤的水源。
本发明进一步设置为：所述土壤墒情监测设备布设在所监测低矮作物的土壤中，所述作物光谱发射率监测设备通过钢支架架设在所监测高株作物的旁边，所述超声波测距仪安装在蓄水池的顶部。
本发明进一步设置为：所述空气压缩机与山涧和山谷中的零星水源通过密封密闭的导气管和上水管相连。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
通过风力发电设备、太阳能光伏发电设备、滴灌设备、微喷灌设备、低压管灌设备、土壤墒情监测设备、作物光谱发射率监测设备、数据传输设备、CPU处理器、蓄水池、超声波测距仪、空气压缩机、扬水机、PVC-U农灌管、逆变器、配电室、水源过滤器、文丘里自动施肥器这些设备的安装，以“风光互补”的清洁能源模式为基础，将山丘区稀缺的水资源集聚起来，实现“零存”；再将水源由蓄存到灌溉实现“整取”，并且形成一套节水节肥、动态监测、网络互联、智能操作的运行体系；最后以输配电及并网发电系统为依托，将风能与太阳能产生的多余电能转化为电网能源，围绕“抽水蓄能电站”的运行模式，实现资源能源最优最大化地利用。整个综合调控系统利用“提、蓄、测、引、灌”，实现能源的“风光互补”、水资源的“零存整取”、电网的“多并少补”，在满足山丘区作物灌溉的同时，实现节水、节能、节肥、增收的多重目标，可为山丘区种植作物开展规模化灌溉提供参考。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统的框图；
图2为本发明一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统的调控流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1及图2所示，一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，包括能源系统，灌溉系统，监测系统，数据传输系统，中央处理系统，管网与动力提升系统，输配电及并网发电系统，以及辅助系统。
所述能源系统包括风力发电设备和太阳能光伏发电设备，用于将风能和太阳能转化为风光互补的清洁电能，并为监测系统、数据传输系统、中央处理系统、管网与动力提升系统和辅助系统供电。所述风力发电设备和太阳能光伏发电设备均为数量相同的若干台，每台风力发电设备配套一台太阳能光伏发电设备、且控制的作物种植面积为20亩。
所述灌溉系统包括蓄水池，均与蓄水池相连的滴灌设备、微喷灌设备和低压管灌设备；灌溉系统用于对山丘区的种植作物进行节水灌溉。所述蓄水池的规模按照扬水机10m、20m、30m的扬程分别修建40-200m3、30-150m3、20-100m3的池大小，每座蓄水池控制的作物种植面积为10亩；所述蓄水池的池底安装有PE滤网和斜管，所述斜管输出经PE滤网过滤的水源。所述滴灌设备、微喷灌设备和低压管灌设备在山丘区区域内依据种植作物的类型、种植面积进行布设。
所述监测系统包括土壤墒情监测设备、作物光谱发射率监测设备和超声波测距仪，所述土壤墒情监测设备用于对山丘区种植作物中的低矮作物进行土壤墒情监测，所述作物光谱发射率监测设备用于对山丘区种植作物中的高株作物进行缺水态势监测，所述超声波测距仪用于对灌溉系统中的蓄水池进行水位监测。所述土壤墒情监测设备布设在所监测低矮作物的土壤中，所述作物光谱发射率监测设备通过钢支架架设在所监测高株作物的旁边，所述超声波测距仪安装在蓄水池的顶部。
所述数据传输系统包括数据传输设备，用于对监测数据进行传输；所述监测系统通过数据传输设备与中央处理系统相连。
所述中央处理系统包括CPU处理器，用于对监测数据进行处理分析，并输出分析结果供能源系统、灌溉系统、管网与动力提升系统、输配电及并网发电系统和辅助系统进行执行。如图2所示，中央处理系统根据监测系统采集自作物的监测数据，对作物的生长情况作出准确判定，输出以需定供的分析结果，从而启动能源系统是将电能用于提调水源还是并入公共电网，以及启动灌溉系统对作物进行节水灌溉。
所述管网与动力提升系统包括PVC-U农灌管、空气压缩机和扬水机，所述空气压缩机和扬水机相连构成气压扬水机、用于在能源系统供电作用下将山涧和山谷中的零星水源通过PVC-U农灌管提调到蓄水池中；所述PVC-U农灌管根据山丘区的地势由高到底铺设，使得滴灌设备、微喷灌设备和低压管灌设备通过PVC-U农灌管的串并联与蓄水池相连。所述空气压缩机与山涧和山谷中的零星水源通过密封密闭的导气管和上水管相连，防止漏水和漏气现象发生。
所述输配电及并网发电系统包括逆变器和配电室，能源系统通过逆变器与配电室相连，用于将能源系统发电的多余直流电能转化为交流电能并入公共电网；实现能源的高效利用，形成一种 “抽水蓄能电站”式的清洁能源—水—电运行模式。
所述辅助系统包括水源过滤器和文丘里自动施肥器，以及无人机；所述文丘里自动施肥器用于对山丘区的种植作物进行智能施肥；所述水源过滤器安装在滴灌设备、微喷灌设备或低压管灌设备上，用于过滤水源中的颗粒物；所述无人机用于对山丘区的种植作物进行高空灌溉。通过水源过滤器和文丘里自动施肥器和设置，提高灌溉设备寿命的同时，也满足“水肥一体化”的需求。
本发明的创新点在于，利用清洁能源将山涧、山谷的零星水源提调起来，实现水资源的“零存整取”，同时满足节水、节能、节肥、增收的多重目标。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，其特征在于：包括能源系统，灌溉系统，监测系统，数据传输系统，中央处理系统，管网与动力提升系统，输配电及并网发电系统，以及辅助系统；
所述能源系统包括风力发电设备和太阳能光伏发电设备，用于将风能和太阳能转化为风光互补的清洁电能，并为监测系统、数据传输系统、中央处理系统、管网与动力提升系统和辅助系统供电；
所述灌溉系统包括蓄水池，均与蓄水池相连的滴灌设备、微喷灌设备和低压管灌设备；灌溉系统用于对山丘区的种植作物进行节水灌溉；
所述监测系统包括土壤墒情监测设备、作物光谱发射率监测设备和超声波测距仪，所述土壤墒情监测设备用于对山丘区种植作物中的低矮作物进行土壤墒情监测，所述作物光谱发射率监测设备用于对山丘区种植作物中的高株作物进行缺水态势监测，所述超声波测距仪用于对灌溉系统中的蓄水池进行水位监测；
所述数据传输系统包括数据传输设备，用于对监测数据进行传输；所述监测系统通过数据传输设备与中央处理系统相连；
所述中央处理系统包括CPU处理器，用于对监测数据进行处理分析，并输出分析结果供能源系统、灌溉系统、管网与动力提升系统、输配电及并网发电系统和辅助系统进行执行；
所述管网与动力提升系统包括PVC-U农灌管、空气压缩机和扬水机，所述空气压缩机和扬水机相连构成气压扬水机、用于在能源系统供电作用下将山涧和山谷中的零星水源通过PVC-U农灌管提调到蓄水池中；所述PVC-U农灌管根据山丘区的地势由高到底铺设，使得滴灌设备、微喷灌设备和低压管灌设备通过PVC-U农灌管的串并联与蓄水池相连；
所述输配电及并网发电系统包括逆变器和配电室，能源系统通过逆变器与配电室相连，用于将能源系统发电的多余直流电能转化为交流电能并入公共电网；
所述辅助系统包括水源过滤器和文丘里自动施肥器，所述文丘里自动施肥器用于对山丘区的种植作物进行智能施肥；所述水源过滤器安装在滴灌设备、微喷灌设备或低压管灌设备上，用于过滤水源中的颗粒物。
2.根据权利要求1所述的一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，其特征在于：所述辅助系统还包括无人机，所述无人机用于对山丘区的种植作物进行高空灌溉。
3.根据权利要求1所述的一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，其特征在于：所述风力发电设备和太阳能光伏发电设备均为数量相同的若干台，每台风力发电设备配套一台太阳能光伏发电设备、且控制的作物种植面积为20亩。
4.根据权利要求1所述的一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，其特征在于：所述蓄水池的规模按照扬水机10m、20m、30m的扬程分别修建40-200m3、30-150m3、20-100m3的池大小，每座蓄水池控制的作物种植面积为10亩。
5.根据权利要求1所述的一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，其特征在于：所述蓄水池的池底安装有PE滤网和斜管，所述斜管输出经PE滤网过滤的水源。
6.根据权利要求1所述的一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，其特征在于：所述土壤墒情监测设备布设在所监测低矮作物的土壤中，所述作物光谱发射率监测设备通过钢支架架设在所监测高株作物的旁边，所述超声波测距仪安装在蓄水池的顶部。
7.根据权利要求1所述的一种“风光互补”的山丘区节水灌溉综合调控系统，其特征在于：所述空气压缩机与山涧和山谷中的零星水源通过密封密闭的导气管和上水管相连。
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