CN115777492A - 一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，包括：光伏水泵提水系统、柔性水袋储能储水系统、微喷灌和滴灌复合系统，光伏组件带动水泵将水压入管路中，部分水压及水量进入柔性水袋中带动微喷和滴灌复合装置工作；柔性水袋储能储水系统连接在光伏水泵之后，形成一个并联管路，在并联管路的第一支管上加装电磁阀，在第二支管加装柔性水袋，并在柔性水袋的前后分别安装测控一体阀。本发明利用太阳能作为复合装置工作动力来源，将滴灌、微喷灌水方式融为一体，结合太阳能正弦变化特性，实现太阳能在不同时段的充分有效利用，利用柔性水袋及其内袋压缩空气的收缩性，实现装置储水储能的功能和阴天或夜晚灌溉降温增湿的连续性。
Description
技术领域
本发明属于农业节水灌溉技术与可再生能源高效利用领域，特别设计一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置。
背景技术
由于太阳能清洁、遍及全球、储量大、成本低廉等特点，普遍应用在农业生产中。其中在农作物节水灌溉中，滴灌对于管路压力需求较低，同时可以减少水量蒸发，节水效果更加明显；微喷可以灌溉的同时可以通过雾化喷头改变田间小气候，尤其夏季时避免温度过高导致作物叶片灼伤，但是对于管路压力需求较大；太阳辐照强度每天呈现正弦变化，结合微喷与滴管复合装置，可以有效结合太阳辐照强度的变化特点，提高太阳能利用效率。灌溉、降温、增湿需要消耗大量电量，利用光伏发电可以大幅降低农业生产成本；目前较多学者着力于光伏灌溉系统的优化配置研究，其中包括太阳能电池板在温室顶部的排列类型、配置数量等，但较少结合太阳光强度的运行特点来进行光伏发电技术与利用柔性水袋储水储能的微灌与滴管复合装置进行研究，亟需一种能根据太阳辐照强度变化改变灌溉流量以及降温增湿力度的光伏复合装置，用来解决温室灌溉降温增湿耗电量大、管路复杂难管理、光伏利用效率低、智能化程度不高的问题。
发明内容
针对温室灌溉降温增湿耗电量大、管路复杂难管理、光伏利用效率低、智能化程度不高等问题，本发明提供了一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，该装置通过柔性水袋储水储能，提高了光伏灌溉系统的灌溉保证率，并且柔性水袋拆卸方便，易于推广。
实现上述任务，本发明采用以下技术方案：一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，其特征在于，包括光伏水泵提水系统、柔性水袋储能储水系统、灌溉复合系统，所述的柔性水袋储能储水系统在光伏水泵提水系统与复合装置之间形成并联管路。
所述的光伏水泵提水系统由蓄水池、光伏水泵、光伏组件、控制器和电线组成。
所述的柔性水袋储能储水系统由测控一体阀、柔性水袋、智能微型真空泵、空气压缩袋、压力传感器、PLC控制器组成。
所述的灌溉复合系统由滴灌管网、压力补偿式滴头、微喷管网、雾化喷头、滴灌电磁阀和微喷电磁阀组成。
所述的光伏水泵安装有蓄水池，其出水口与管道的一端连接，所述的管道的另一端分为两支管分别与第一支管和第二支管的一端连接，所述第一支管加装第一测控一体阀，控制管路的阀门的开闭，第二支管中加装柔性水袋，水袋的前后加装第二测控一体阀和第三测控一体阀，用于控制柔性水袋的进水量与压力，所述的第一支管和第二支管的另一端连通后与滴灌管网的一端连接，所述的滴灌管网的两端分别与微喷管网两端连通，所述的微喷管网上连接有若干雾化喷头；所述的滴灌管网和微喷管网上分别安装有滴灌电磁阀和微喷电磁阀。
所述的柔性水袋内置有压缩空气袋，所述的压缩空气袋与外界通过智能微型真空泵连接。
所述的压力传感器安装在柔性水袋上。
所述的光伏水泵、控制器、压力传感器、第一测控一体阀、第二测控一体阀、第三测控一体阀、滴灌电磁阀和微喷电磁阀分别与PLC控制器通过电线连接；所述的光伏组件与控制器连接。
所述的柔性水袋储能储水系统，在光伏水泵与复合装置之间形成并联管路，当辐照强度最大时，关闭第一支管的第一测控一体阀，水流仅通过第二支管，打开柔性水袋前的第二测控一体阀，关闭水袋后的第三测控一体阀，依据压力传感器对水袋中的压力检测，传送至PLC用于调节柔性水袋前测控一体阀阀门开度，当柔性水袋中的水量与压力达到最大时，关闭前端第二测控一体阀，其它时刻打开第一支管前第一测控一体阀，用于正常滴灌管网与微灌管网的正常工作；当阴天或夜晚时，打开柔性水袋后测控一体阀，通过PLC控制第三和第三测控一体阀的开度大小，根据需求释放柔性水袋中的压力与水量。
所述的柔性水袋内置有较高收缩效果性能的压缩空气袋，其与外界通过智能微型真空泵连接，通过PLC控制智能微型真空泵的充气与抽气口开闭，用来调节压缩空气袋中的空气体积来改变水袋储水储能上下限，当太阳辐照强度较弱时，PLC通过控制智能微型真空泵的抽气口，减少空气压缩袋中空气，增加柔性水袋中进水量，达到最大后，控制智能微型真空泵充气口，增加压缩空气袋中空气体积，达到柔性水袋最大储水储能目的；同时当太阳辐照强度较大时，PLC通过控制智能微型真空泵的充气口，增加压缩空气袋中空气体积，直至柔性水袋中储能储水达到最大。
当太阳辐照强度较弱时，光伏组件提供功率较小，光伏水泵提供较小的压力与流量，无法满足微灌管网的压力需求则无法正常工作，满足滴灌管网的压力需求，此时打开滴灌管网进水口电磁阀，压力补偿式滴头开始工作；当太阳辐照较强时，光伏水泵提供的压力与流量满足微喷管网的压力需求，打开微灌管网进水口的电磁阀，此时雾化喷头同时工作。
所述的微灌管网挂在作物上端，雾化喷头悬挂向下，当辐照强度较大时，管路压力较大，满足微灌管网的工作压力需求，打开微喷电磁阀，雾化喷头开始工作，而且随着太阳辐照强度的变化，雾化喷头喷洒水量和射程随着变化，根据辐照强度自动调节雾化喷头雾化水量和射程，可以有效通过降低田间温度增加田间湿度手段保护作物。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，采用一种复合装置，把滴灌、雾化微喷灌相结合，可以根据太阳辐照强度的大小来自动调节为不同的灌溉方式，有效提高太阳能利用率，也大大节省了成本，实现了灌溉、降温、增湿为一体的光伏灌溉系统。
2.本发明的一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，在光伏水泵出水口即灌溉管网进水口增加柔性水袋储能储水装置，可以在辐照强度较大时，结合多个测控一体阀的互相配合使得柔性水袋达到最大的储水储能极限，当无太阳光照时，可以通过不断调节测控一体阀，不断释放柔性水袋的中的水量与压力，实现夜间或阴天条件下装置继续灌溉、降温、增湿的的功能，有效保证了在极端天气下该装置正常工作。
3. 本发明的一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，当雾化喷头工作时，温室温度随太阳辐射强度增大而增大，湿度逐渐降低，此时雾化喷头可根据太阳辐射强度的大小自动调整雾化水流的流量与喷洒范围，灌溉、降温与增湿同步进行。
4. 本发明的一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，采用的柔性水袋内置充有空气的有较大收缩效果性能的空气压缩袋，并利用智能微型真空泵，通过PLC控制充气口与抽气口，不断改变空气压缩袋中的气体大小；当柔性水袋中进水时，空气压缩袋中的空气收到挤压体积不断缩小，柔性水袋中的压强逐渐增大，不断调节水袋前测控一体阀开度大小，直到进水口的压强保持一致，储能储水达到最大值，此装置可以有效利用空气压缩储能，最大化提高太阳能利用效率，并提高的该装置的安全性与灌溉保证率。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2 为柔性水袋内部结构示意图；
图3 不同太阳辐照强度下光伏水泵扬程及流量变化示意图；
图4 为不同辐照强度下灌溉方式的变化示意图；
图5 为储水储能过程中柔性水袋水量与压缩空气袋体积变化关系示意图；
图6 为柔性水袋压力调节方法示意图；
图中标号代表： 1-蓄水池，2-光伏水泵，3-电线，4-光伏组件，5-控制器，6-PLC，7-第一支管，8-测控一体阀，81-第一测控一体阀，82-第二前端测控一体阀，83-第二后端测控一体阀，9-柔性水袋，91-智能微型真空泵，92-空气压缩袋，10-压力传感器，11-第二支管，12-滴灌管网，13-压力补偿式滴头，14-微灌管网，15-雾化喷头，16-滴灌电磁阀，17-微灌电磁阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的结束方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1所示，一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，包括光伏水泵提水系统、柔性水袋储能储水系统、灌溉复合系统，所述的柔性水袋储能储水系统在光伏水泵提水系统与复合装置之间形成并联管路。
所述的光伏水泵提水系统由蓄水池1、光伏水泵2、光伏组件4、控制器5和电线3组成。
所述的柔性水袋储能储水系统由测控一体阀8、柔性水袋9、智能微型真空泵91、空气压缩袋92、压力传感器10、PLC控制器6组成。
所述的灌溉复合系统由滴灌管网12、压力补偿式滴头13、微喷管网14、雾化喷头15、滴灌电磁阀16、微喷电磁阀17组成。
所述的光伏水泵2安装有蓄水池1，其出水口与管道的一端连接，所述的管道的另一端分为两支管分别与第一支管7和第二支管11的一端连接，所述第一支管7加装第一测控一体阀81，控制管路的阀门的开闭，第二支管11中加装柔性水袋9，水袋的前后加装第二测控一体阀82和第三测控一体阀83，用于控制柔性水袋9的进水量与压力，所述的第一支管7和第二支管11的另一端连通后与滴灌管网12的一端连接，所述的滴灌管网12的两端分别与微喷管网14两端连通，所述的微喷管网14上连接有若干雾化喷头15；所述的滴灌管12和微喷管网14上分别安装有滴灌电磁阀16和微喷电磁阀17。
所述的柔性水袋9内置有压缩空气袋2，所述的压缩空气袋92与外界通过智能微型真空泵91连接。
所述的压力传感器10安装在柔性水袋9上。
所述的光伏水泵2、控制器5、压力传感器10、第一测控一体阀1、第二测控一体阀82、第三测控一体阀83、滴灌电磁阀16和微喷电磁阀17分别与PLC控制器6通过电线3连接；所述的光伏组件4控制器5连接。
光伏组件带动光伏水泵工作，将蓄水池中的灌溉水压入灌溉管网，在微灌管网与滴灌管网进水口设置并联管路，在第一支管中加装测控一体阀，通过阀门的开度来控制经过支管的水量。
在第二支管中安装柔性水袋储能储水系统，在柔性水袋的前后加装测控一体阀，柔性水袋中加装空气压缩袋，通过智能微型真空泵与外界相连，具体结构示意图如图2所示，在柔性水袋上加装压力传感器用来检测袋内的压力变化。
柔性水袋储能储水工作过程：柔性水袋中水量变化与压缩空气袋中的气体体积变化如图5所示，储能储水过程时，柔性水袋中水量不断增加，而压缩空气袋中的气体则不断被压缩，直到水量达到最大，压缩空气袋中气体体积最小，达到柔性水袋的最大储水储能状态；当柔性水袋储能储水完毕后，关闭第二前端测控一体阀，处于稳定期；打开第一支管的测控一体阀，进行灌溉。当阴天或是夜晚，关闭第一支管的测控一体阀，打开第二后端测控一体阀，根据灌溉需求调节阀门开度进行释能放水，实现灌溉的连续性。
当太阳能辐照强度较弱时，光伏水泵提高压力较小，进入柔性水袋的水量较小，此时通过PLC调节智能微型真空泵，减少空气压缩袋中气体，直到柔性水袋中的水量达到最大，关闭第二前端测控一体阀，调节智能微型真空泵，增加压缩空气袋中的气体，直到柔性水袋储能储水达到最大；当辐照强度较强时，只需调节第二前端测控一体阀，直到柔性水袋储水储能达到最大为止。智能微型真空泵与测控一体阀工作所需能量均来自光伏组件发电。
在太阳能充足柔性水袋储水储能结束后，仅打开第一支管的测控一体阀，由图3为不同太阳辐照强度下光伏水泵扬程及流量变化示意图可知光伏水泵的流量与扬程随着辐照强度的增加增加，当太阳辐照度较弱时，光伏水泵的流量与扬程满足滴灌管网工作需求，打开滴灌电磁阀，压力补偿式滴头开始工作；当太阳辐照强度较大时，光伏水泵的流量与扬程满足微灌管网工作需求，关闭滴灌电磁阀，打开微灌电磁阀，雾化喷头开始工作，微喷灌滴灌复合装置的灌溉效果如图4所示，而滴灌与微喷灌的工作流程图如图6所示。
本发明的实施例中，光伏组件选取尺寸为1640 mm
982 mm
40 mm（长*宽*厚），额定功率为260 W的太阳能单晶硅电池板；光伏水泵选用型号为S243T-30，额定功率为260 W，水泵电压：DC24 V（18 V ~45 V）；测控一体阀选用塑料电动球阀（Q92-10S）；智能微型真空泵选用可用于自动控制的气泵（D60L）；柔性水袋体积为100 L，空气压缩袋采用橡胶材质，静态体积为60 L。通过试验可以测试柔性水袋储水储能系统在该光伏组件下储水与储能量变化曲线，建立柔性水袋中水量与压力的关系曲线，确定最优的储能储水界限。根据辐照强度对应的光伏水泵的流量与扬程，确定滴灌系统与微喷灌系统开始工作的界限，试验地点为陕西杨凌西北农林科技大学水力大厅(东经108°4 '27 .95"，北纬34°16 '56 .24")。
本发明采用组合式结构，利用太阳能作为复合装置工作动力来源，滴灌、微喷灌水方式融为一体，结合太阳能正弦变化特性，实现太阳能在不同时段的充分有效利用，利用柔性水袋及其内袋压缩空气的收缩性，实现装置储水储能的功能，保证了阴天或夜晚灌溉降温增湿的连续性；实现灌溉、降温、增湿三位一体，相比满足相同功能的单独装置可大大整体成本，并利用柔性水袋储能储水装置提高灌溉保证率，实现现代农业的绿色、高效、智能可持续发展。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，其特征在于，包括光伏水泵提水系统、柔性水袋储能储水系统、灌溉复合系统，所述的柔性水袋储能储水系统在光伏水泵提水系统与复合装置之间形成并联管路；
所述的光伏水泵提水系统由蓄水池（1）、光伏水泵（2）、光伏组件（4）、控制器（5）和电线（3）组成；
所述的柔性水袋储能储水系统由测控一体阀（8）、柔性水袋（9）、智能微型真空泵（91）、空气压缩袋（92）、压力传感器（10）、PLC控制器（6）组成；
所述的灌溉复合系统由滴灌管网（12）、压力补偿式滴头（13）、微喷管网（14）、雾化喷头（15）、滴灌电磁阀（16）和微喷电磁阀（17）组成；
所述的光伏水泵（2）安装有蓄水池（1），其出水口与管道的一端连接，所述的管道的另一端分为两支管分别与第一支管（7）和第二支管（11）的一端连接，所述第一支管（7）加装第一测控一体阀（81），控制管路的阀门的开闭，第二支管（11）中加装柔性水袋（9），水袋的前后加装第二测控一体阀（82）和第三测控一体阀（83），用于控制柔性水袋（9）的进水量与压力，所述的第一支管（7）和第二支管（11）的另一端连通后与滴灌管网（12）的一端连接，所述的滴灌管网（12）的两端分别与微喷管网（14）两端连通，所述的微喷管网（14）上连接有若干雾化喷头（15）；所述的滴灌管网（12）和微喷管网（14）上分别安装有滴灌电磁阀（16）和微喷电磁阀（17）；
所述的柔性水袋（9）内置有压缩空气袋（92），所述的压缩空气袋（92）与外界通过智能微型真空泵（91）连接；
所述的压力传感器（10）安装在柔性水袋（9）上；
所述的光伏水泵（2）、控制器（5）、压力传感器（10）、第一测控一体阀（81）、第二测控一体阀（82）、第三测控一体阀（83）、滴灌电磁阀（16）和微喷电磁阀（17）分别与PLC控制器（6）通过电线（3）连接；所述的光伏组件（4）与控制器（5）连接。
2.如权利要求1所述的一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，其特征在于，所述的柔性水袋储能储水系统，在光伏水泵与复合装置之间形成并联管路，当辐照强度最大时，关闭第一支管（7）的第一测控一体阀（81），水流仅通过第二支管（7），打开柔性水袋（9）前的第二测控一体阀（82），关闭水袋后的第三测控一体阀（83），依据压力传感器（10）对水袋（9）中的压力检测，传送至PLC（6）用于调节柔性水袋前测控一体阀阀门开度，当柔性水袋（9）中的水量与压力达到最大时，关闭前端第二测控一体阀（82），其它时刻打开第一支管（7）前第一测控一体阀（81），用于正常滴灌管网（12）与微灌管网（14）的正常工作；当阴天或夜晚时，打开柔性水袋（9）后测控一体阀（83），通过PLC（6）控制第二和第三测控一体阀（82、83）的开度大小，根据需求释放柔性水袋中的压力与水量。
3.如权利要求1所述的一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，其特征在于，所述的柔性水袋（9）内置有较高收缩效果性能的压缩空气袋（92），其与外界通过智能微型真空泵（91）连接，通过PLC控制智能微型真空泵（91）的充气与抽气口开闭，用来调节压缩空气袋（92）中的空气体积来改变水袋（9）储水储能上下限，当太阳辐照强度较弱时，PLC通过控制智能微型真空泵的抽气口，减少空气压缩袋（92）中空气，增加柔性水袋（9）中进水量，达到最大后，控制智能微型真空泵（91）充气口，增加压缩空气袋中空气体积，达到柔性水袋（9）最大储水储能目的；同时当太阳辐照强度较大时，PLC（6）通过控制智能微型真空泵（91）的充气口，增加压缩空气袋（92）中空气体积，直至柔性水袋（9）中储能储水达到最大。
4.如权利要求1所述的一种利用柔性水袋调节能量的光伏微喷灌和滴灌复合装置，其特征在于，当太阳辐照强度较弱时，光伏组件（4）提供功率较小，光伏水泵（2）提供较小的压力与流量，无法满足微灌管网（14）的压力需求则无法正常工作，满足滴灌管网（12）的压力需求，此时打开滴灌管网（12）进水口电磁阀（16），压力补偿式滴头（13）开始工作；当太阳辐照较强时，光伏水泵（2）提供的压力与流量满足微喷管网（14）的压力需求，打开微灌管网（14）进水口的电磁阀（17），此时雾化喷头（15）同时工作。
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