基于太陽(yáng)能光伏技術(shù)的農(nóng)田智能化灌溉系統(tǒng)

邱林++覃江峰

摘要：通過(guò)將太陽(yáng)能光伏技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田智能化灌溉系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的太陽(yáng)能供電電源功能模塊、太陽(yáng)能智能化控制灌溉模塊及其子功能模塊，研究應(yīng)用太陽(yáng)光照自動(dòng)跟蹤原理、最大輸出功率點(diǎn)跟蹤原理、模糊控制原理等相關(guān)理論，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光照強(qiáng)度最大、太陽(yáng)能供電電源輸出功率最大、不同負(fù)載等級(jí)的穩(wěn)定電流輸出、模糊控制自動(dòng)灌溉、電能轉(zhuǎn)換為水勢(shì)能存儲(chǔ)等應(yīng)用功能，利用太陽(yáng)能光伏技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化精準(zhǔn)灌溉。設(shè)計(jì)比較試驗(yàn)表明，與普通的太陽(yáng)能電池板相比，具備太陽(yáng)光照自動(dòng)跟蹤設(shè)備、最大輸出功率點(diǎn)跟蹤設(shè)備的太陽(yáng)能電池板總輸出功率效率明顯提高，負(fù)載的水泵抽水效率高，且功率輸出穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能光伏技術(shù)；智能化灌溉；太陽(yáng)能電源輸出功率；穩(wěn)定電流輸出；電能轉(zhuǎn)化水勢(shì)能

中圖分類(lèi)號(hào)： S274.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0373-03

收稿日期：2015-11-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51409050）；廣西高?？蒲许?xiàng)目（編號(hào)：201204LX621）。

作者簡(jiǎn)介：邱林（1983—），女，廣西河池人，碩士，講師，從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)的研究與教學(xué)。E-mail：346448337@qq.com。廣西壯族自治區(qū)是甘蔗、木薯的主產(chǎn)區(qū)之一，而這些作物的種植區(qū)多屬老少邊窮地區(qū)，電網(wǎng)覆蓋密度小，田地灌溉用電難以得到保障。在筆者所在課題組以往的研究中，為節(jié)省種植區(qū)域的布線成本和維護(hù)成本，已研制出較為成熟的無(wú)線傳輸控制技術(shù)并得到應(yīng)用，但田間傳感器、電磁閥、無(wú)線設(shè)備等裝置的供電仍采用有線方式，與農(nóng)田智能化灌溉系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)尚有一定差距。廣西地區(qū)甘蔗和木薯等作物的種植期、生長(zhǎng)期、成熟期均為2、3月至11、12月，平均日照時(shí)數(shù)超過(guò) 2 000 h，太陽(yáng)能資源十分豐富。廣西地區(qū)雨水較多，長(zhǎng)時(shí)間灌溉作業(yè)的次數(shù)極少，因此采用太陽(yáng)能光伏技術(shù)作為智能化灌溉系統(tǒng)的供電能源及提水勢(shì)能源具有可行性。擬利用廣西地區(qū)緯度低、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、降雨量豐富的優(yōu)點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)太陽(yáng)能光伏在農(nóng)田智能化灌溉系統(tǒng)中的供電及水泵提水技術(shù)，不僅進(jìn)一步節(jié)省布線及維護(hù)成本，還能避免因停電導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。研究成果可為甘蔗、木薯等作物的節(jié)水灌溉及節(jié)能減排增效提供關(guān)鍵性技術(shù)參考。

1太陽(yáng)能光伏技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用及功能介紹

1.1太陽(yáng)能光伏技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

太陽(yáng)能光伏技術(shù)在農(nóng)田智能化灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括兩大功能模塊，即太陽(yáng)能供電電源功能模塊、太陽(yáng)能田間智能化灌溉（水泵提水）功能模塊。太陽(yáng)能供電電源模塊由3個(gè)子模塊組成，分別為太陽(yáng)能光照強(qiáng)度自適應(yīng)設(shè)備、電源主回路、電源控制，其主要功能是為智能化灌溉系統(tǒng)中的各種參數(shù)檢測(cè)及應(yīng)用設(shè)備提供穩(wěn)定、高效的工作電源。太陽(yáng)能田間智能化灌溉（水泵提水）模塊的功能是依據(jù)光照度、土壤含水率、土壤溫度等環(huán)境量參數(shù)對(duì)田間狀態(tài)進(jìn)行模糊控制判斷，并控制灌溉設(shè)備對(duì)田間作物進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉；該模塊又分為智能化灌溉、儲(chǔ)蓄水勢(shì)能2個(gè)子模塊。

1.2太陽(yáng)能光伏技術(shù)在系統(tǒng)中的功能

在太陽(yáng)能供電電源模塊中，可通過(guò)2種方式利用太陽(yáng)能光照強(qiáng)度自適應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池輸出功率的提高，即太陽(yáng)能電池板自動(dòng)調(diào)整朝向，跟蹤太陽(yáng)直射角；利用電源主回路前端控制電路和模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板最大輸出功率點(diǎn)的跟蹤（MPPT）。為滿足系統(tǒng)中其他不同負(fù)載設(shè)備的供電需求，還須設(shè)計(jì)直流降壓模塊，通過(guò)控制降壓電路實(shí)現(xiàn)多個(gè)電壓等級(jí)的電流輸出[1]。

在太陽(yáng)能田間智能化灌溉（水泵提水）模塊中，智能化灌溉控制模塊的主要功能是通過(guò)土壤溫濕度傳感器等設(shè)備檢測(cè)土壤含水率，根據(jù)檢測(cè)到的土壤含水率數(shù)據(jù)對(duì)灌溉閾值進(jìn)行系統(tǒng)判斷，并通過(guò)繼電控制器對(duì)田間的電磁閥進(jìn)行開(kāi)啟或閉合控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)田間作物的自動(dòng)、半自動(dòng)精準(zhǔn)灌溉。儲(chǔ)蓄水勢(shì)能（水泵提水）功能模塊是將太陽(yáng)能供電電源設(shè)備輸出的電能通過(guò)水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能并儲(chǔ)存，當(dāng)太陽(yáng)能供電電源功率達(dá)不到要求時(shí)，智能化灌溉系統(tǒng)直接取用儲(chǔ)水水塔的水對(duì)田間作物進(jìn)行灌溉。

2太陽(yáng)能光伏技術(shù)在系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1太陽(yáng)能供電電源模塊設(shè)計(jì)

智能化灌溉系統(tǒng)的檢測(cè)、灌溉、傳輸、控制等設(shè)備均離不開(kāi)電源，因此太陽(yáng)能供電電源的應(yīng)用對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要作用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用離網(wǎng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)作為太陽(yáng)能供電電源的基礎(chǔ)，通過(guò)2種方式提高太陽(yáng)能供電電源的輸出效率，即電源主回路前級(jí)電路和控制算法、桿影式及間歇自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，且電源主回路為系統(tǒng)提供多種負(fù)載的直流電源。

2.1.1太陽(yáng)能供電電源模塊總結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能供電電源模塊的總結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1?；谔?yáng)能光伏技術(shù)的農(nóng)田智能化灌溉系統(tǒng)，當(dāng)太陽(yáng)光輻射強(qiáng)且土壤含水率低時(shí)，進(jìn)行田間灌溉；當(dāng)太陽(yáng)光輻射弱且土壤含水率相對(duì)較低或相對(duì)較高時(shí)，進(jìn)行少量灌溉或不灌溉。在太陽(yáng)能供電電源的設(shè)計(jì)中，改變以往使用蓄電池儲(chǔ)能的思路，改為采用水泵提水，將電能轉(zhuǎn)化為水勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)。該方法不僅減少了項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中蓄電池購(gòu)買(mǎi)、維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)的大量費(fèi)用，還能避免廢棄或損壞的蓄電池分解可能對(duì)環(huán)境造成的污染。太陽(yáng)能供電電源模塊還須提高太陽(yáng)能電池板的輸出功率并輸出穩(wěn)定直流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板最大輸出功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。前者可通過(guò)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的太陽(yáng)光照度自適應(yīng)設(shè)備以保持太陽(yáng)能板始終正對(duì)太陽(yáng)直射角來(lái)實(shí)現(xiàn)，后者可通過(guò)電源主回路中的直流斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1.2太陽(yáng)光照強(qiáng)度自適應(yīng)設(shè)備模塊為使太陽(yáng)能供電電源受到的光照效果最強(qiáng)，設(shè)計(jì)中采用太陽(yáng)光照度自適應(yīng)設(shè)備，使太陽(yáng)能板時(shí)刻保持在太陽(yáng)光直射角的位置。為達(dá)到自適應(yīng)的要求，設(shè)計(jì)中借鑒了一種新型桿影式自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，其基本工作原理為：利用太陽(yáng)光線照射直桿所產(chǎn)生的影子遮擋檢測(cè)盤(pán)上的光敏電阻，從而對(duì)太陽(yáng)位置進(jìn)行定位；設(shè)計(jì)雙軸電機(jī)以實(shí)現(xiàn)橫向和縱向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步促使太陽(yáng)能板正對(duì)太陽(yáng)直射角，從而使太陽(yáng)光照直射太陽(yáng)能板[1]。

2.1.3電源主回路模塊電源主回路模塊的設(shè)計(jì)主要用于解決2個(gè)方面的問(wèn)題，即太陽(yáng)能板產(chǎn)生不穩(wěn)定直流電能，以及智能化灌溉系統(tǒng)中各功能子模塊、設(shè)備控制電機(jī)等需要穩(wěn)定電壓等級(jí)多樣的直流電源。其基本工作原理為：電源主回路中太陽(yáng)能電池板最大功率輸出點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，以及將不穩(wěn)定的輸出電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定輸出的24 V直流電功能均通過(guò)直流斬波電路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電源主回路穩(wěn)定輸出24 V直流電后，再通過(guò)降壓模塊控制各直流降壓裝置，從而為系統(tǒng)電路提供5、12、24 V等不同電壓等級(jí)的穩(wěn)定直流電。當(dāng)系統(tǒng)接入逆變器時(shí)，還可滿足因其他應(yīng)用交互而需要交流電的情況，并能達(dá)到多種交流負(fù)載用電要求。

2.1.4電源控制模塊電源控制模塊由電壓及電流檢測(cè)、主回路控制2個(gè)部分組成，可為系統(tǒng)工作狀態(tài)提供選擇依據(jù)，反映太陽(yáng)能供電電源輸出和負(fù)載端的功率狀態(tài)；同時(shí)，還可驅(qū)動(dòng)直流斬波電路的功率管進(jìn)行PWM控制、降壓模塊控制。

2.2太陽(yáng)能田間智能化灌溉模塊設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能田間智能化灌溉模塊采用模糊控制灌溉策略，并以儲(chǔ)蓄水勢(shì)能的設(shè)計(jì)思路代替了傳統(tǒng)的蓄電池儲(chǔ)能思路。其工作運(yùn)行主要包括智能化灌溉控制模塊、儲(chǔ)蓄水勢(shì)能模塊2個(gè)子模塊。

2.2.1智能化灌溉模塊的工作模式及結(jié)構(gòu)智能化灌溉控制模塊的工作過(guò)程分為太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度較強(qiáng)、較弱2種基本狀態(tài)。當(dāng)太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度較強(qiáng)，且土壤含水率低于系統(tǒng)設(shè)置的灌溉閾值時(shí)，經(jīng)過(guò)模糊控制判斷，電磁閥開(kāi)啟進(jìn)行灌溉；太陽(yáng)能電池發(fā)電剩余的電能還可通過(guò)水泵轉(zhuǎn)換為水勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)，而不采用傳統(tǒng)的蓄電池存儲(chǔ)方式。當(dāng)太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度較強(qiáng)，而土壤含水率高于系統(tǒng)設(shè)置的灌溉閾值時(shí)，經(jīng)過(guò)模糊控制判斷，電磁閥關(guān)閉，不進(jìn)行灌溉；此時(shí)太陽(yáng)能電池的發(fā)電電能通過(guò)水泵轉(zhuǎn)換為水勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度較弱，且土壤含水率低于系統(tǒng)設(shè)置的灌溉閾值時(shí)，由于太陽(yáng)能供電電源輸出功率小于水泵運(yùn)行所需要的功率，無(wú)法驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)行，此時(shí)僅用蓄水池中的儲(chǔ)水進(jìn)行基本灌溉。當(dāng)太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度較弱，且土壤含水率高于系統(tǒng)灌溉閾值時(shí)，既不啟動(dòng)電磁閥，也不驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)將電能轉(zhuǎn)換為水勢(shì)能存儲(chǔ)。智能化灌溉模塊的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2、圖3。

2.2.2智能化灌溉子模塊智能化灌溉子模塊由灌溉控制策略、灌溉控制電路、灌溉管網(wǎng)組成。灌溉控制策略的基本依據(jù)是模糊控制算法，灌溉控制電路則主要由傳感器電路部分、模糊繼電控制器、驅(qū)動(dòng)電路組成[2]。智能化灌溉子模塊的工作過(guò)程為：土壤溫濕度傳感器對(duì)土壤水分值進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至模糊控制主機(jī)中；控制主機(jī)經(jīng)過(guò)模糊分析及判斷，結(jié)合當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)能供電電源輸出功率值，得到精準(zhǔn)灌溉策略，并將灌溉指令通過(guò)模糊繼電控制器及驅(qū)動(dòng)電路傳輸給田間灌溉設(shè)備（電磁閥），進(jìn)行田間智能化灌溉。

2.2.3儲(chǔ)蓄水勢(shì)能子模塊儲(chǔ)蓄水勢(shì)能子模塊主要由直流供電的水泵、存儲(chǔ)水源的水塔、水位傳感器組成。水塔的主要作用是以水勢(shì)能代替蓄電池儲(chǔ)能，在太陽(yáng)光照度充足時(shí)，將太陽(yáng)能供電電源工作中剩余的電能通過(guò)水泵轉(zhuǎn)化為水勢(shì)能進(jìn)行存儲(chǔ)；在太陽(yáng)光照度不足，田間又需要少量灌水時(shí)，采用水塔中的水進(jìn)行灌溉。

3太陽(yáng)能供電電源模塊軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電源模塊對(duì)2塊電池進(jìn)行電壓檢測(cè)，當(dāng)放電電池的電壓低于設(shè)定伏值時(shí)進(jìn)行電池切換，對(duì)放電電池進(jìn)行充電，對(duì)充電電池進(jìn)行放電。程序流程見(jiàn)圖4。

4試驗(yàn)研究與結(jié)果分析

試驗(yàn)主要針對(duì)2個(gè)方面內(nèi)容進(jìn)行分析測(cè)試，即太陽(yáng)能供電電源模塊的發(fā)電能力、系統(tǒng)主要負(fù)載（水泵提水）能力。同時(shí)，通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)能輸出端參數(shù)，檢驗(yàn)太陽(yáng)能供電電源的輸出功率和系統(tǒng)主要負(fù)載（水泵）的抽水性能。

4.1試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)A、B 2組不同狀態(tài)的太陽(yáng)能電池板，A組帶太陽(yáng)能光照強(qiáng)度自適應(yīng)設(shè)備，B組則將太陽(yáng)能電池板朝南35°擺放。將這2組電池板與試驗(yàn)平臺(tái)、電流表、萬(wàn)用表、相同型號(hào)的負(fù)載水泵進(jìn)行連接。準(zhǔn)備2臺(tái)水泵、4個(gè)大小相同的水桶。將其中2個(gè)水桶裝入等量的水，水位高度一致，作為A、B 2組不同狀態(tài)試驗(yàn)的水源。將2臺(tái)水泵的進(jìn)水水管端分別接入2個(gè)水桶中，并將出水水管端接入2個(gè)未裝水的水桶中，作為水泵出水口水桶。分別為A、B 2組試驗(yàn)裝置接通電源使水泵運(yùn)行，記錄萬(wàn)用表等設(shè)備的讀數(shù)。采用量筒測(cè)量2個(gè)出水端水桶的需水量，測(cè)量時(shí)間間隔為1 h，即每個(gè)整點(diǎn)測(cè)量1次，并記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)于廣西壯族自治區(qū)崇左市夏季常態(tài)天氣下某天的08：00—18：00進(jìn)行。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

功率-時(shí)間曲線反映了太陽(yáng)能電池板在工作過(guò)程中的實(shí)際功率輸出效率。由圖5、表1可知，A組試驗(yàn)裝置的輸出功率大于B組。在08：00—10：00，天氣晴朗，太陽(yáng)光照度較強(qiáng)，A、B 2組的曲線均呈上升趨勢(shì)，且A組的上升速度比B組快。在10：00—13：00，天氣呈晴轉(zhuǎn)多云并維持在多云狀態(tài)，云層遮蔽致使太陽(yáng)光照度較弱，A、B 2組曲線波動(dòng)均較大，B組水泵停止運(yùn)行，太陽(yáng)能電池板無(wú)輸出功率，而A組仍有較低的功率輸出。在13：00—15：00，下雨導(dǎo)致太陽(yáng)光照輻射強(qiáng)度很弱，2組水泵均停止運(yùn)行，故2組試驗(yàn)裝置均無(wú)輸出功率。在14：00—15：00，雨勢(shì)逐漸變小，天氣放晴，太陽(yáng)光照輻射強(qiáng)度增加，2組水泵均開(kāi)始運(yùn)行，2組輸出功率均明顯回升。在15：00—18：00，2組光照強(qiáng)度及輸出功率均開(kāi)始下降，由于太陽(yáng)光照輻射明顯減弱，B組輸出功率于16：00之后顯著下降，且18：00之后無(wú)輸出功率；由于MPPT功能和太陽(yáng)光照度自適應(yīng)設(shè)備的作用，A組輸出功率下降趨勢(shì)緩慢，并在天黑后維持較長(zhǎng)時(shí)間。

由流量-時(shí)間曲線（圖6）可知，A組的流量明顯大于B組。

A組采用了MPPT功能和太陽(yáng)光照度自適應(yīng)設(shè)備，使A組水泵能夠充分利用太陽(yáng)能電池的發(fā)電能力。根據(jù)公式：功率=電壓×電流，可知A組輸出功率較大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。B組未采用上述2項(xiàng)功能，水泵的額定電壓（24.0 V）遠(yuǎn)低于太陽(yáng)能電池板的最大工作電壓（37.7 V），致使太陽(yáng)能電池板的發(fā)電能力被浪費(fèi)。大部分時(shí)間B組中太陽(yáng)光線無(wú)法垂直射入太陽(yáng)能電池板，輸出電流相對(duì)較小，輸出功率隨之較小，且持續(xù)時(shí)間短。

試驗(yàn)結(jié)果表明，A組的輸出總功率與B組相比明顯提高，且A組的抽水效率高于B組，在復(fù)雜的天氣狀況下A組能夠更加穩(wěn)定地工作。

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