CN116557254B - 一种利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法，采用光伏集水扬水装置进行集水扬水，包括：自流蓄水装置和储水灌溉装置，及连接自流蓄水装置和储水灌溉装置之间的扬水管路；自流蓄水装置设置位置低于积水地面；储水灌溉装置设置位置高于积水地面；储水灌溉装置包括储水容器和与其连接的灌溉管路。光伏集水扬水装置构建过程中的设备参数根据建设区的气象资料逐步确定。本发明充分利用气候资源，有效降低设备要求，节约经费投入，克服了现有技术中喀斯特地区光伏扬水出现配置过高成本过大且无水可扬，或者配置过低充电不足且无法满足用水需求等问题，有效提高了喀斯特地区雨洪资源的利用。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及喀斯特地区雨洪利用，具体为一种利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法。
背景技术
雨洪利用技术(Rainwater utilization technology)就是把从自然或人工集雨面流出的雨水进行收集、集中和储存，是从水文循环中获取水为人类所用的一种方法。
喀斯特(KARST)即岩溶，是水对可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称；由喀斯特作用所造成地貌，称喀斯特地貌(岩溶地貌)，其特征为地上和地下的二元结构。世界上大范围的喀斯特地区属于亚热带季风气候，年降水量大于1100mm；受季风气候影响，尽管降水资源丰沛，但季节分配差异大，春季多干旱，夏季多暴雨。尤其因喀斯特地貌的二元结构，岩性漏水，夏季暴雨多下漏到地下暗河。正是因为喀斯特地貌和亚热带季风气候的作用，导致喀斯特地区地表可用水资源缺乏，被称为工程性缺水。且在喀斯特地区，地形起伏大，降水产流后水流汇入到低洼的岩溶洼地，因为水势低出现了水资源利用困难。因此严重制约着当地社会经济发展。
为了推动喀斯特地区雨洪利用，越来越多的研究人员设计了喀斯特地区降水收集利用装置。如申请号：201410111614.7的中国发明专利，提出了喀斯特地区水资源利用方法，包括建立坡面集雨系统、修建提水工程开发喀斯特皮下水和上层滞水、建立屋面集雨系统、推广浅灌节水农业技术和建立科学合理的灌溉方式。申请号：201910558665.7的中国发明专利，公开了一种喀斯特坡地集水灌溉系统，通过在坡面上设置从上到下的多个集水机构，对流动于坡面的雨水进行收集，通过自流管对农田进行灌溉。申请号：201920892256.6的中国实用新型专利，公开了一种喀斯特石漠化地区储水灌溉装置，利用地势高度，使水沟的水自动收集到储水池中，自动经主出水管和分出水管到达灌溉管进行灌溉。申请号：202111100744.7中国发明专利，公开了喀斯特石漠化边坡植被板槽组合蓄水和持水养护的试验模型和试验方法。
尽管在喀斯特地区雨洪利用方面均取得了一定的研究进展，但仍然存在不足：
如申请号：201410111614.7的中国发明专利提出的坡面集雨系统、屋面集雨系，只能满足位置更低的土地灌溉；尽管该专利也提出了提水工程，但没有明确其方式；同时也没有提出能源的使用类型，用电和油成本较高，限制了实际应用。如申请号：201920892256.6的中国实用新型专利仅提出了对收集雨水到储水池，通过自流管对农田进行灌溉，但是收集的水量也会大量集中于山坡低处。如申请号：202111100744.7的中国发明专利提出的是喀斯特石漠化边坡的蓄水设计，仅满足蓄水后的原位置蓄水地段的用水，不能提供其它地段用水。
综上，总结现有技术中在喀斯特地区雨洪利用方面主要存在两个方面的问题：
1)是未有效解决喀斯特地区雨洪收集后水势低利用难的问题。2)是没有针对喀斯特地区阴天多光照少、降水季节性强的缺点，提出专门有效解决方案。
光伏扬水系统(Photovoltaic pumping system)是用来自太阳的持久能源驱动水的势能转换的新能源电力设备；光伏扬水系统主要由光伏扬水逆变器、光伏阵列、水泵等组成；应用领域主要有光伏农业节水灌溉、光伏灌溉荒漠治理、光伏水利抗旱提水等。在光伏扬水的雨洪利用方面，也有了许多研究，已经取得很多专利。单目前光伏扬水技术均从设备的构建优化出发提出普遍性的设计，并没有针对喀斯特地区阴天时数多和降水集中气候特点展开工作，从而导致光伏扬水设施设备在喀斯特地区农业灌溉中功效不高，推广应用远远低于其它地区。
喀斯特地区受季风气候控制，农业耕作的用水高峰往往在3-5个月的旱季时间，加之该地区阴天多日照少，太阳能电池工作时间短。现有的光伏扬水技术均没有考虑到这些因素，从而致使光伏扬水出现配置过高成本过大且无水可扬，或者配置过低充电不足且无法满足用水需求等问题，制约了光伏集水扬水技术在喀斯特地区农业灌溉推广应用。
发明内容
本发明的目的在于基于现有技术中的缺陷，提出一种利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法，从而提高喀斯特地区的雨洪资源利用率，有效降低成本，节能环保。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法，采用光伏集水扬水装置进行集水扬水，所述光伏集水扬水装置包括：自流蓄水装置和储水灌溉装置，及连接自流蓄水装置和储水灌溉装置之间的扬水管路；所述自流蓄水装置设置位置低于积水地面，积水地面一般为硬化地面；所述储水灌溉装置设置位置高于所述积水地面；所述储水灌溉装置包括储水容器和与其连接的灌溉管路；
所述自流蓄水装置包括：自流蓄水箱和与其连通的沉沙池；沉沙池设置有进水管路与积水地面相连进行集水；自流蓄水箱内设置有自流蓄水箱潜水泵；另设有蓄电池和逆变器组件及与其连接的太阳能电池板为自流蓄水箱潜水泵供电；通过自流蓄水箱潜水泵及扬水管路将自流蓄水箱内的集水扬送至储水灌溉装置；
光伏集水扬水装置构建过程中的设备参数需要根据建设区的气象资料确定，具体包括以下步骤：
步骤一、资料收集：收集建设区的多年气象资料，包括日降水量和晴天日数、雨季和旱季的时间、降水频率、晴天时段，同时调查建设区农业耕作制度；
步骤二、扬水时间的确定：
根据降水频率分布将雨季划分为M个集水扬水时段，每个集水扬水时段为一个降水周期，由一个连续阴雨天时段和一个连续晴天时段组成；每个集水扬水时段用m表示，m时段中的连续晴天天数用tm表示，一年中雨季M个时段的总扬水时间Δt按以下公式计算：
式中：Δt为M个时段的总扬水时间，单位为h；n为在建设区域工作条件下每天能进行扬水的小时数，单位为h/天；
扬水时间的气候学计算推导原理：
当光伏集水扬水装置和储水容器的位置固定后，光伏集水扬水装置的扬水扬程即确定。此时，该装置的自流蓄水箱体积、太阳能电池板、蓄电池和逆变器、自流蓄水箱潜水泵的配置与集水扬水的效率有关；当该装置的集水扬水的效率确定后，这些设备的配置则由气候条件确定。只有充分利用气候资源，才能降低设备要求，节约经费投入。一年中集水扬水装置的降水收集总量为一个恒量，即为积水地面的总产流量。当光伏集水扬水装置设备确定后，一年中集水扬水的效率即为一个恒量，扬水时间和扬水流量成反比关系，即：扬水时间越短，扬水流量越大；而扬水流量大，则所用潜水泵、太阳能电池板、蓄电池等的功率越大，成本投入就越高。因此应该结合喀斯特地区实际气象特点，合理利用气候资源，从雨旱季差异、阴晴天时数和灌溉时间等方面开展设计，最大限度延长扬水时间，减小扬水流速。本发明中的扬水时间是通过统计建设地区的各个时段的降水间隔时间得到的。
步骤三、自流蓄水箱体积的确定：
V＝MAX Qm×1.2 (3)
式中：Qm为第m时段的蓄水量，单位m3，qk为m时段中第k次降水的积水水量，单位m3，每次降水以一日计；K为第m时段内的降水次数；MAX Qm表示的是降雨总量最大的集水扬水时段的蓄水量；V为自流蓄水箱的体积，单位m3；
qk＝S×Pk×W×0.001 (4)
式中：S为积水地面面积，单位m2；Pk为该建设区m时段第k次降水当日的多年平均日降水量，单位mm；W为积水地面的产流系数，可以通过野外观测实验获取，在没有实验数据时一般可取80％；
步骤四、扬水流量的确定：
式中：Q为M个时段的总蓄水量，单位为m3；Δt为M个时段的总扬水时间，单位为h；U为确定的扬水流量，单位为m3/h；
步骤五、确定扬水扬程：
H＝h+l×0.1+ε (7)
式中：H为扬水扬程，单位m；h为净扬程，单位m，即自流蓄水箱底至储水容器进水口的垂直高差；l为扬水水平输送距离，单位m，即自流蓄水箱至储水容器的水平距离；ε为损失扬程，通常为净扬程的6～9％；
步骤六、计算太阳能电池板的工作时间：
T0＝ΔT×Ts (9)
式中：tm为m时段中的连续晴天天数；ΔT为M个集水扬水时段中平均每个时段连续晴天数；Ts为日平均晴朗日照时间h/天；T0为M个集水扬水时段中平均每个时段的太阳能电池板工作时间，单位为h；
步骤七、确定潜水泵及光伏组件型号：
根据扬水流量、扬水扬程确定自流蓄水箱潜水泵的选用型号；依据自流蓄水箱潜水泵选用型号确定潜水泵的功率、电压和电流，然后依据功率、电压和电流以及太阳能电池板的工作时间确定太阳能电池板、蓄电池和逆变器的配置型号。
进一步的优化，所述自流蓄水装置包括：自流蓄水箱和与其连通的沉沙池；所述沉沙池的一侧设置有沉沙池进水管，沉沙池的另一侧连通自流蓄水箱进水管的进水口，自流蓄水箱进水管的出水口与自流蓄水箱的后壁面连接；自流蓄水箱的前壁面上下依次设置有自流蓄水箱溢洪管和自流蓄水箱排沙管；所述自流蓄水箱排沙管设置有自流蓄水箱排沙管阀门；自流蓄水箱的内部设置有自流蓄水箱潜水泵和自流蓄水箱水位阀；自流蓄水箱的外部还设置有蓄电池和逆变器组件及与其连接的太阳能电池板；所述自流蓄水箱潜水泵的出口连接有伸出自流蓄水箱以外的自流蓄水箱扬水出水管；自流蓄水箱的后壁还设置有自流蓄水箱门；自流蓄水箱扬水出水管与扬水管的进水口相连。
进一步的，所述扬水管设置有使水流向储水灌溉装置流动的单向阀门。
进一步的，所述储水容器为桶、箱或水泥池。
进一步的，步骤一中所述多年气象资料为20年以上。
本发明的优点和有益效果是：
1)本发明充分利用气候资源，合理配备设备，有效降低设备要求，节约经费投入，克服了现有技术中喀斯特地区光伏扬水出现配置过高成本过大且无水可扬，或者配置过低充电不足且无法满足用水需求等问题，优化了光伏集水扬水技术在喀斯特地区农业灌溉方面的应用，有效提高了喀斯特地区雨洪资源的利用。
2)本发明中的光伏集水扬水装置，将汇集的雨洪提升至高处储存利用，克服喀斯特地貌的正负地形起伏大，解决水势由低向高的反向流动问题；高处储存的水资源可以实现全坡面在任意需要灌溉的时段进行灌溉。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为自流蓄水装置的结构示意图。
附图标记：1、太阳能电池板；2、蓄电池和逆变器组件；3、自流蓄水箱；4、自流蓄水箱门；5、自流蓄水箱扬水出水管；6、自流蓄水箱进水管；7、自流蓄水箱溢洪管；8、自流蓄水箱排沙管；9、沉沙池；10、沉沙池进水管；11、自流蓄水箱潜水泵；12、自流蓄水箱水位阀；13、自流蓄水箱排沙管阀门。
具体实施方式
实施例1
一种利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法，采用光伏集水扬水装置进行集水扬水，所述光伏集水扬水装置包括：自流蓄水装置和储水灌溉装置，及连接自流蓄水装置和储水灌溉装置之间的扬水管路；所述自流蓄水装置设置位置低于积水地面；所述储水灌溉装置设置位置高于所述积水地面；积水地面一般是硬化地面，也可以是积水装置；让积水地面的水流形成水势差，产生自流进入自流蓄水装置。
自流蓄水装置包括：自流蓄水箱3和与其连通的沉沙池9；沉沙池设置有进水管路与积水地面相连进行集水；自流蓄水箱3内设置有自流蓄水箱潜水泵11；另设有蓄电池和逆变器组件2及与其连接的太阳能电池板1为自流蓄水箱潜水泵11供电；通过自流蓄水箱潜水泵11及扬水管路将自流蓄水箱3内的集水扬送至储水灌溉装置；储水灌溉装置包括储水容器和与其连接的灌溉管路。
如图1所示，本实施例中，自流蓄水装置包括：自流蓄水箱3和与其连通的沉沙池9；所述沉沙池9的一侧设置有沉沙池进水管10，沉沙池9的另一侧连通自流蓄水箱进水管6的进水口，自流蓄水箱进水管6的出水口与自流蓄水箱3的后壁面连接；自流蓄水箱3的前壁面上下依次设置有自流蓄水箱溢洪管7和自流蓄水箱排沙管8；所述自流蓄水箱排沙管8设置有自流蓄水箱排沙管阀门13；自流蓄水箱3的内部设置有自流蓄水箱潜水泵11和自流蓄水箱水位阀12；自流蓄水箱3的外部还设置有蓄电池和逆变器组件2及与其连接的太阳能电池板1；所述自流蓄水箱潜水泵11的出口连接有伸出自流蓄水箱以外的自流蓄水箱扬水出水管5；自流蓄水箱3的后壁还设置有自流蓄水箱门4；自流蓄水箱扬水出水管5与扬水管路的进水口相连。
自流蓄水装置的工作过程为：太阳能电池板1供电给蓄电池，蓄电池供电给自流蓄水箱潜水泵11；自流蓄水箱潜水泵11将自流蓄水箱3的水抽出，通过自流蓄水箱扬水出水管5，让水流单向流至储水容器；所述沉沙池进水管10与积水地面相连，积水流入沉沙池9，沉淀泥沙后，通过自流蓄水箱进水管6进入自流蓄水箱3；当进入自流蓄水箱3的水量超过设定阈值时，多余水量由自流蓄水箱溢洪管7排除；若仍有泥沙进入自流蓄水箱3时，可打开自流蓄水箱排沙管8的阀门将泥沙排除；自流蓄水箱门4用于人工清理泥沙和检修设备。
储水容器设置在高程较高处，可以是桶、箱和水泥池以及其它储水设施，其容积应足够能容纳一年的光伏集水扬水装置的扬水总量。
扬水管路设置有使水流向储水灌溉装置流动的单向阀门。
光伏集水扬水装置构建过程中的设备参数需要根据建设区的气象资料确定，具体包括以下步骤：
步骤一、资料收集：收集建设区的50年气象资料，包括日降水量和晴天日数、明确雨季和旱季的时间、降水频率、晴天时段，同时调查建设区农业耕作制度；
步骤二、扬水时间的确定：
根据降水频率分布将雨季划分为M个集水扬水时段，每个集水扬水时段为一个降水周期，由一个连续阴雨天时段和一个连续晴天时段组成；每个集水扬水时段用m表示，m时段中的连续晴天天数用tm表示，一年中雨季M个时段的总扬水时间Δt按以下公式计算：
式中：Δt为M个时段的总扬水时间，单位为h；n为在建设区域工作条件下每天能进行扬水的小时数，单位为h/天；
步骤三、自流蓄水箱体积的确定：
V＝MAX OmX1.2 (3)
式中：Qm为第m时段的蓄水量，单位m3，qk为m时段中第k次降水的积水水量，单位m3，每次降水以一日计；K为第m时段内的降水次数；MAX Qm表示的是降雨总量最大的集水扬水时段的蓄水量；V为自流蓄水箱的体积，单位m3；
qk＝S×Pk×W×0.001 (4)
式中：S为积水地面面积，单位m2；Pk为该建设区m时段第k次降水当日的多年平均日降水量，单位mm；W为积水地面的产流系数；
步骤四、扬水流量的确定：
式中：Q为M个时段的总蓄水量，单位为m3；Δt为M个时段的总扬水时间，单位为h；U为确定的扬水流量，单位为m3/h；
步骤五、确定扬水扬程：
H＝h+l×0.1+ε (7)
式中：H为扬水扬程，单位m；h为净扬程，单位m，即自流蓄水箱底至储水容器进水口的垂直高差；l为扬水水平输送距离，单位m，即自流蓄水箱至储水容器的水平距离；ε为损失扬程；
步骤六、计算太阳能电池板的工作时间：
T0＝ΔT×Ts (9)
式中：tm为m时段中的连续晴天天数；ΔT为M个集水扬水时段中平均每个时段连续晴天数；Ts为日平均晴朗日照时间h/天；T0为M个集水扬水时段中平均每个时段的太阳能电池板工作时间，单位为h；
步骤七、确定潜水泵及光伏组件型号：
根据扬水流量、扬水扬程确定自流蓄水箱潜水泵的选用型号；依据自流蓄水箱潜水泵选用型号的功率、电压和电流，以及太阳能电池板的工作时间共同确定太阳能电池板、蓄电池和逆变器的配置型号。
本实施例，按功率的1.5倍配置相应的逆变器，依据扬水时间的1.5倍确定蓄电池型号。为蓄电池充电的太阳能电池板配置也依据建设地区的气候条件计算，其充电工作时间按下式计算：
其中：θ太阳能电池板的工作效率，单位％，为太阳能电池板型号的参数。
在光伏集水扬水装置中，太阳能电池板1给蓄电池和逆变器组件2中的电池充电，逆变器将电池直流电转换为交流电，给自流蓄水箱潜水泵11提供电源。当进入自流蓄水箱3的水量多到设定水位时，激发自流蓄水箱水位阀12，自流蓄水箱潜水泵11开始工作，通过自流蓄水箱扬水出水管5，进入扬水管路，让水流单向流至储水容器。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法，其特征在于：采用光伏集水扬水装置进行集水扬水，所述光伏集水扬水装置包括：自流蓄水装置和储水灌溉装置，及连接自流蓄水装置和储水灌溉装置之间的扬水管路；所述自流蓄水装置设置位置低于积水地面；所述储水灌溉装置设置位置高于所述积水地面；所述储水灌溉装置包括储水容器和与其连接的灌溉管路；
所述自流蓄水装置包括：自流蓄水箱(3)和与其连通的沉沙池(9)；沉沙池设置有进水管路与积水地面相连进行集水；自流蓄水箱(3)内设置有自流蓄水箱潜水泵(11)；另设有蓄电池和逆变器组件(2)及与其连接的太阳能电池板(1)为自流蓄水箱潜水泵(11)供电；通过自流蓄水箱潜水泵(11)及扬水管路将自流蓄水箱(3)内的集水扬送至储水灌溉装置；
光伏集水扬水装置构建过程中的设备参数根据建设区的气象资料确定，具体包括以下步骤：
步骤一、资料收集：收集建设区的多年气象资料，包括日降水量和晴天日数、雨季和旱季的时间、降水频率、晴天时段，同时调查建设区农业耕作制度；
步骤二、扬水时间的确定：
根据降水频率分布将雨季划分为M个集水扬水时段，每个集水扬水时段为一个降水周期，由一个连续阴雨天时段和一个连续晴天时段组成；每个集水扬水时段用m表示，m时段中的连续晴天天数用tm表示，一年中雨季M个时段的总扬水时间Δt按以下公式计算：
式中：Δt为M个时段的总扬水时间，单位为h；n为在建设区域工作条件下每天能进行扬水的小时数，单位为h/天；
步骤三、自流蓄水箱体积的确定：
V＝MAX Qm×1.2 (3)
式中：Qm为第m时段的蓄水量，单位m3，qk为第m时段中第k次降水的积水水量，单位m3，每次降水以一日计；K为第m时段内的降水次数；MAX Qm表示的是降雨总量最大的集水扬水时段的蓄水量；V为自流蓄水箱的体积，单位m3；
qk＝S×Pk×W×0.001 (4)
式中：S为积水地面面积，单位m2；Pk为该建设区m时段第k次降水当日的多年平均日降水量，单位mm；W为积水地面的产流系数；
步骤四、扬水流量的确定：
式中：Q为M个时段的总蓄水量，单位为m3；Δt为M个时段的总扬水时间，单位为h；U为确定的扬水流量，单位为m3/h；
步骤五、确定扬水扬程：
H＝h+l×0.1+ε (7)
式中：H为扬水扬程，单位m；h为净扬程，单位m，即自流蓄水箱底至储水容器进水口的垂直高差；l为扬水水平输送距离，单位m，即自流蓄水箱至储水容器的水平距离；ε为损失扬程；
步骤六、计算太阳能电池板的工作时间：
T0＝ΔT×Ts (9)
式中：tm为m时段中的连续晴天天数；ΔT为M个集水扬水时段中平均每个时段连续晴天数；Ts为日平均晴朗日照时间h/天；T0为M个集水扬水时段中平均每个时段的太阳能电池板工作时间，单位为h；
步骤七、确定潜水泵及光伏组件型号：
根据扬水流量、扬水扬程确定自流蓄水箱潜水泵的选用型号；依据自流蓄水箱潜水泵选用型号确定潜水泵的功率、电压和电流，然后依据功率、电压和电流以及太阳能电池板的工作时间确定太阳能电池板、蓄电池和逆变器的配置型号。
2.根据权利要求1所述的利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法，其特征在于：所述自流蓄水装置包括：自流蓄水箱(3)和与其连通的沉沙池(9)；所述沉沙池(9)的一侧设置有沉沙池进水管(10)，沉沙池(9)的另一侧连通自流蓄水箱进水管(6)的进水口，自流蓄水箱进水管(6)的出水口与自流蓄水箱(3)的后壁面连接；自流蓄水箱(3)的前壁面上下依次设置有自流蓄水箱溢洪管(7)和自流蓄水箱排沙管(8)；所述自流蓄水箱排沙管(8)设置有自流蓄水箱排沙管阀门(13)；自流蓄水箱(3)的内部设置有自流蓄水箱潜水泵(11)和自流蓄水箱水位阀(12)；自流蓄水箱(3)的外部还设置有蓄电池和逆变器组件(2)及与其连接的太阳能电池板(1)；所述自流蓄水箱潜水泵(11)的出口连接有伸出自流蓄水箱以外的自流蓄水箱扬水出水管(5)；自流蓄水箱(3)的后壁还设置有自流蓄水箱门(4)；自流蓄水箱扬水出水管(5)与扬水管路的进水口相连。
3.根据权利要求1所述的利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法，其特征在于：所述扬水管路设置有使水流向储水灌溉装置流动的单向阀门。
4.根据权利要求1所述的利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法，其特征在于：所述储水容器为桶、箱或水泥池。
5.根据权利要求1所述的利用喀斯特地区气候资源的光伏集水扬水方法，其特征在于：步骤一中所述多年气象资料为20年以上。
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