CN108605581B - 一种适合避雨栽培的薄膜光伏发电与集雨灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适合避雨栽培的薄膜光伏发电与集雨灌溉系统，所述系统包括避雨栽培设施大棚棚架、薄膜光伏发电组件、玻璃、集雨渠道、明渠、蓄水池、输水管、渗水管和排水沟等；所述玻璃设置在所述避雨栽培设施大棚棚架上部，薄膜光伏发电组件覆盖于大棚棚架上部，避雨栽培设施大棚棚顶由玻璃和薄膜光伏发电组件共同组成且玻璃和薄膜光伏组件位于同一平面。本发明融合了光伏发电技术、避雨栽培技术、渗灌技术，在利用现有的薄膜光伏发电装置基础上，设计出一套适合避雨栽培作物进行集雨灌溉的系统，在解决发电的同时发展避雨栽培农业，具有高效、清洁、环保、节能、节水、占地面积小、减少水土流失等特点，其适用范围较广。

Description

一种适合避雨栽培的薄膜光伏发电与集雨灌溉系统

技术领域

本发明涉及光伏发电与灌溉领域，具体涉及一种适合避雨栽培的薄膜光伏发电与集雨灌溉系统。

技术背景

近年来，在露地栽培的基础上，发展了避雨栽培技术，一般而言，避雨栽培通过在作物上搭架覆盖塑料薄膜或玻璃，下雨时使水顺流下再排除园外，不落在叶蔓、果上，该栽培技术的优点是降低空气湿度，进而减少病菌繁殖，有效减轻病害的发生和危害，该技术针对桃、葡萄等对空气湿度敏感的作物有效；同时，还可控制过多的雨水进入作物根部，结合灌溉系统可改善作物的水分条件，从而提高作物产量和品质。

在边远地区，特别是西部地区，电网供电成本较高，使用柴油发电机发电消耗化石能源且污染环境，而太阳能属于清洁能源，故现在采用光伏发电解决电网供电成本高是发展趋势。但在传统的光伏发电模式中，单晶硅或多晶硅光伏组件占用耕地面积较大，因此，基于薄膜光伏发电技术，充分利用物理空间，将其与避雨栽培技术相结合，在避免雨水直接落到叶曼、果上的同时，又能收集雨水，避免水资源浪费，减缓了水土流失，同时利用节水灌溉技术直接对作物根部进行灌溉，增强了灌溉的可操控性，实现了对作物的合理灌溉，光伏发电与避雨栽培还能增加用户收益，该系统具有独特的优势和广阔的适用范围。

发明内容

针对背景技术中所提及的问题，本发明旨在提供一种适合避雨栽培的薄膜光伏发电与集雨灌溉系统，解决光伏发电占用耕地和水土流失问题，充分利用物理空间，将光伏发电与避雨栽培技术相结合，实现可控性灌溉。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适合避雨栽培的薄膜光伏发电与集雨灌溉系统，所述系统包括避雨栽培设施大棚棚架、薄膜光伏发电组件、玻璃、集雨渠道、明渠、蓄水池、输水管、渗水管和排水沟；所述避雨栽培设施大棚由棚架和棚顶组成；所述玻璃设置在所述避雨栽培设施大棚棚架上部，所述薄膜光伏发电组件覆盖于所述设施大棚棚架上部，所述避雨栽培设施大棚棚顶由玻璃和薄膜光伏发电组件共同组成且玻璃和薄膜光伏组件位于同一平面；所述集雨渠道与蓄水池通过明渠相连，所述蓄水池位于避雨栽培设施大棚中部，所述渗水管通过输水管与蓄水池连接；所述排水沟与集雨渠道相连。排水沟的设置作用在于，排走蓄水池蓄满后多于的雨水。

所述避雨栽培设施棚架由钢筋混凝土基础、立柱、横梁和纵梁组成；所述钢筋混凝土基础与立柱连接、纵梁与立柱连接、横梁与纵梁连接。

所述集雨渠道两端渠底高度较高，中部渠底高度较低。

所述输水管出口端设置有阀门，所述渗水管在作物根部周围附近设置有小孔；所述排水沟与集雨渠道连接处设置有闸门。

进一步地，本发明涉及将上述系统用于避雨栽培集雨灌溉的用途。

1、本发明针对有需求的作物，在利用现有的光伏发电装置基础上，设计出一套适用避雨栽培作物进行集雨灌溉的系统，在解决发电的同时，充分利用了物理空间，发展了避雨栽培农业，同时还解决了其灌溉，以及仅有光伏发电系统所带来的水土流失的问题；

2、本发明具有高效、节能、清洁、环保等优势，充分利用现有资源，高效节水灌溉。

附图说明

图1为本发明的一种适合避雨栽培的薄膜光伏发电与集雨灌溉系统的结构示意图。

图2为图1所示的结构示意图的局部放大图。

图3为本发明的一种适合避雨栽培的薄膜光伏发电与集雨灌溉系统的俯视示意图。

图4为图3所示的俯视示意图的局部放大图。

上述附图中：

1-钢筋混凝土基础、2-立柱、3-立柱、4-纵梁、5-横梁、6-薄膜光伏发电组件、7玻璃、8-渗水管、9-作物、10-集雨渠道、11-水滴、12-地面、13-蓄水池、14-明渠、15-输水管、16-闸门、17-阀门、18-闸门、19-排水沟、20-太阳。

具体实施方式

下文将结合附图对本发明的较优的实施例进行详细说明。

结合附图1-4，在作物9两边合适的距离处设置钢筋混凝土基础1，并使立柱2、立柱3分别与基础结合牢固，通过调整立柱2、立柱3的高度来使得薄膜光伏发电组件处于一个合适的倾角并且立柱的高度满足作物的正常生长，纵梁4与立柱2、3结合牢固，然后使得横梁5与纵梁4结合牢固，玻璃安置在横梁所构成的平面上，薄膜光伏组件安置也在横梁所构成的平面上，即：薄膜光伏组件与玻璃处于同一平面上，共同构成避雨栽培设施大棚的棚顶，当降雨时，棚顶将是一个较大的集雨面。

一种光伏组件的规格长×宽×厚为：1245mm×635mm×5.4mm，那么玻璃的长度应当与薄膜光伏组件的长度的相同，其厚度可以在5.4mm～7mm之间，宽度可以在300mm～700mm之间，一般建议把玻璃的宽度设置同薄膜光伏组件的宽度，或者为薄膜光伏组件宽度的一半，玻璃须选用夹层玻璃或钢化玻璃等安全性高的玻璃。一块薄膜光伏组件和同规格的玻璃相间布置是一种模式，一块薄膜光伏组件和宽度为组件宽度一半的玻璃相间布置又是一种模式，因此本领域技术人员能够理解存在各种不同的组合，也可以根据需要进行定制生产。为了便于生产及运输，一般组件和玻璃的尺寸相近时会比较方便。

关于薄膜光伏组件安装方位角，若以正南方向为0°，南偏东为负，南偏西为正，在条件允许的情况下，以正南方向为好；在部分条件不允许的情况下，也可以选择±20°的范围内进行安装；如果正南方位不允许，在东南方向和西南方向均允许的情况下，尽量选择西南方向。

关于薄膜光伏组件安装倾角，考虑全年发电量最大模式，一般取安装倾角为当地纬度；考虑冬季(10月至次年3月)发电量最大模式，其安装倾角一般取当地纬度加10°～20°；夏季(4月至9月)发电量最大模式，一般取当地纬度减10°～20°作为安装倾角。如果需要比较精准的安装倾角，可用相关的光伏软件进行优化设计。

所述集雨渠道10的两端的渠底较明渠14处要高，便于雨水的蓄积并通过明渠14进入蓄水池13。

所述集雨渠道的一端封闭而另一端与排水沟19连接，并且在排水沟与集雨渠道连接处设置闸门18。

所述明渠14的一端与集雨渠道10相连，另一端与蓄水池13相连。

所述蓄水池13与明渠14连接处设置闸门16。

所述蓄水池13与输水管15连接处设置阀门17。

所述渗水管8在地面12以下，与输水管15相连接，并且在作物9附近设置有小孔。与集雨渠道垂直方向还设置排水沟。排水沟的设置作用在于，集雨渠道所收集的水可以在不同行列中循环。

当降雨时，关闭闸门18和阀门17，打开闸门16，使得雨水进入到蓄水池中，蓄水池的大小应根据当地的水文气象条件以及根据灌溉需水量等来综合考虑确定，当蓄水池13中的水位达到一定的高度后，可关闭闸门16，若此时的降雨量还比较大，则应打开闸门18将多余的水量排入排水沟19中，保护作物9免受涝害。另外，倘若当地需要最大限度的集水，而一个蓄水池的容量不够时，可以考虑在沿果树种植方向，设置多个蓄水池，可同时进行蓄水，也可依次蓄满水再进行下一个蓄水池蓄水，具体方法同上。

当需要灌溉时，则可打开阀门17利用输水管15进行输水，并利用渗水管8在作物9的根系周围进行渗灌，该种灌溉方式具有减少占用耕地、便于田间作业或农事活动、节约能源等优点。另外，还可以利用光伏发电组件所发电的一部分用于给灌溉水加压，灌水方式也可换成滴灌、微喷灌等方式，则相应的渗灌管8也要替换为滴灌的毛管或者微喷灌的相应管道。

实例效果效益分析如下：

在四川省成都市蒲江县猕猴桃园内搭建光伏避雨大棚一座，占地面积为360m²，大棚架设的肩高为3.5m，结构性安装光伏组件138块，每块功率为48W(测试条件为1000W/m²，25℃，AM1.5)，装机功率为6624W。避雨大棚的长、宽分别为24米、15米，其下共3列猕猴桃树，每列6棵果树，共种植18棵猕猴桃树；每列猕猴桃树行距为5米，同一列中的果树间距为4米。第一列(记为T1)每20m²的范围内，覆盖5块1245mm×635mm×5.4mm的薄膜光伏组件，共覆盖30块(薄膜光伏覆盖率19.8％)；第二列(记为T2)在每20m²的范围内，覆盖8块1245mm×635mm×5.4mm，共覆盖48块(薄膜光伏覆盖率31.6％)；第三列(记为T3)在每20m²的范围内，覆盖10块1245mm×635mm×5.4mm，共覆盖60块(薄膜光伏覆盖率39.5％)；另外设置了空白对照(记为CK，共6棵果树)，即未对猕猴桃树进行形式的避雨处理。

果实产量比较：采用平均单果重和果实总重量来进行产量差异评估。如表1所示，在果实采收期，从T1、T2、T3、CK中分别选出果树大小一致的3棵果树，测量平均单果重情况为：T1平均果重为89.35g，T2平均果重为85.95g，T3平均果重为80.02g，CK平均果重为101.09g。收获时测定小区总的产量估算单位面积产量，与传统栽培相比，光伏避雨栽培由于遮阴作用，其单位面积果实产量相对于CK分别降低了11.8％(T1)、15.1％(T2)、21.0％(T3)。

表1不同处理猕猴桃单果重和产量

品质比较：虽然产量有所降低，但在果形均匀度和内在品质均有不同程度的提高，如表2所示。对于水果而言，提升品质比提高产量更为重要。一般情况下，光伏避雨栽培的果实因为品质的改善，其商业价值比普通栽培要高30％左右。

表2不同处理猕猴桃品质指标

年发电量计算：据气象统计资料，成都蒲江地区(太阳能资源五类地区)年平均日照时间为3.1小时(1000W/m²，25℃，AM1.5)，一年光伏系统可正常工作的时间为1131.5小时，则360m²的光伏避雨大棚每年的发电量为W＝1131.5h×(5×6+8×6+10×6)×48W＝7495kW·h。如果分别按19.8％、31.6％、39.5％的光伏覆盖率搭建占地面积为360m²的光伏避雨大棚，则分别可覆盖90、144、180张薄膜光伏组件，年发电量分别为：W₁＝1131.5h×90×48W＝4888kW.h，W₂＝1131.5h×144×48W＝7821kW·h，W₃＝1131.5h×180×48W＝9776kW·h。

经济效益分析：以360m²为例来考察光伏避雨栽培的经济效益，其中年运行费用考虑光伏避雨大棚等维护费用和猕猴桃栽培中的施肥施药及人工劳务费，对投资回收年份、运行20年的净产值进行估算，相关计算结果如表3所示。

表3光伏避雨栽培经济效益估算(2017年)

社会效益分析：光伏发电与避雨栽培相结合，有效解决了光伏争地问题；采用可控制的灌水方式，合理调控适宜的土壤含水量，能促进农作物提质增效、农户增收。光伏避雨栽培，有利于脱贫致富、农业发展、新农村建设。

环境效益分析：一方面，光伏发电和传统的火力发电相比或者与柴油机发电相比，可以减少化石能源的消耗，同时能减少污染物的排放。另一方面，采取了避雨栽培措施，减少了山丘区的土壤流失。同时由于降低果树冠层内空气湿度而减少了病虫害的发生问题，从而减少农药的喷洒次数为3-5次，可降低农药成本和果实的农药残留。

综合上述分析，可认为该项技术发明具有重要的经济、社会及生态价值，具有广泛应用前景。

上述实施案例仅为本发明的优选的一种具体实施方式，但该实施案例并非用以限制该发明专利的保护范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，都应涵盖于本发明专利的保护范围之内，依据本发明专利精神所做的各种修改、添加和替换等变化，都应包含在本发明专利所要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种适合避雨栽培的薄膜光伏发电与集雨灌溉系统，其特征在于，所述系统包括避雨栽培设施大棚棚架、薄膜光伏发电组件、玻璃、集雨渠道、明渠、蓄水池、输水管、渗水管和排水沟；所述避雨栽培设施大棚由棚架和棚顶组成；所述玻璃设置在所述避雨栽培设施大棚棚架上部，所述薄膜光伏发电组件覆盖于所述设施大棚棚架上部，所述避雨栽培设施大棚棚顶由玻璃和薄膜光伏发电组件共同组成且玻璃和薄膜光伏组件位于同一平面，薄膜光伏组件和玻璃相间布置；所述集雨渠道与蓄水池通过明渠相连，所述蓄水池位于避雨栽培设施大棚中部，所述渗水管通过输水管与蓄水池连接；所述排水沟与集雨渠道相连；所述避雨栽培设施棚架由钢筋混凝土基础、立柱、横梁和纵梁组成；所述钢筋混凝土基础与立柱连接、纵梁与立柱连接、横梁与纵梁连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述集雨渠道两端渠底高度较高，中部渠底高度较低。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输水管出口端设置有阀门，所述渗水管在作物根部周围附近设置有小孔, 所述排水沟与集雨渠道连接处设置有闸门。

4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的系统在避雨栽培集雨灌溉中的用途。

Images