基于管道水流發(fā)電的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常曉敏，魏科宇，左廣宇，劉大雷，劉文浩，劉 琪

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，高效節(jié)水灌溉得到了越來(lái)越多的應(yīng)用［1］，其核心部分是自動(dòng)灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多種傳感器和控制器。隨著灌溉面積的增長(zhǎng)，電力供應(yīng)就成了保證自動(dòng)灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。使用電池限制了整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間，同時(shí)更換電池會(huì)增加人工成本，且很不環(huán)保。使用太陽(yáng)能和風(fēng)能等新能源是非常環(huán)保的，但是其發(fā)電量極易受自然環(huán)境影響，而且建設(shè)成本非常高。

為此，直接使用現(xiàn)有的灌溉輸水管網(wǎng)，利用灌溉的水能進(jìn)行發(fā)電，可大大節(jié)約建設(shè)成本。且其和傳統(tǒng)的水力發(fā)電一樣，都屬于清潔能源。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外針對(duì)小型管道水流發(fā)電的研究與試驗(yàn)已趨于成熟：段巍釗為實(shí)現(xiàn)對(duì)自來(lái)水管網(wǎng)中的傳感器進(jìn)行供電，設(shè)計(jì)了一種基于管道內(nèi)部流體動(dòng)能發(fā)電的管道水流發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)輸出功率約為100 W［2］；陳明吉等人，將微型水流發(fā)電機(jī)與水表進(jìn)行集成，利用供水管網(wǎng)中的水能向智能水表供電［3］；肖騰設(shè)計(jì)了一款垂直軸管道水輪機(jī)，水輪機(jī)輸出功率為50 W［4］。以上設(shè)計(jì)都是利用水流發(fā)電，解決設(shè)備供電問(wèn)題，但針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的專用小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)的研究較少。

因此，研制適合于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低成本、高效率、智能化的小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。針對(duì)以上問(wèn)題，我們對(duì)水輪機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制電路，提出了MPPT最大功率點(diǎn)供電策略，研制出了小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)為監(jiān)測(cè)設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定供電。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)組成

小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)主要由水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、系統(tǒng)電路、蓄電池、I/O 擴(kuò)展接口組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。管道水流驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)葉輪，水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)水能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸同軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。在實(shí)際的灌溉工作中，管道水流會(huì)根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而影響水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出的電壓不穩(wěn)定，不能直接向設(shè)備和蓄電池供電，系統(tǒng)電路采用DC-DC變換電路，通過(guò)改變電路開關(guān)管導(dǎo)通占空比來(lái)將發(fā)電機(jī)輸出的不穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)換輸出為穩(wěn)定的電壓［4］；此時(shí)電路的輸出功率也隨之發(fā)生變化，控制電路通過(guò)電壓電流傳感器對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行檢測(cè)，主控制器對(duì)DC-DC變換電路開關(guān)管導(dǎo)通占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的負(fù)載匹配，從而使系統(tǒng)工作在最大功率處［5］。當(dāng)管道水流無(wú)法滿足發(fā)電機(jī)工況需要時(shí)，由蓄電池向設(shè)備供電。I/O 擴(kuò)展接口可根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要安裝通訊模塊、監(jiān)測(cè)模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 水輪機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1.1 總體設(shè)計(jì)參數(shù)

水輪機(jī)的輸出與水輪機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。其中，葉輪葉片的幾何形狀、安裝角、數(shù)量等因素都會(huì)影響管道水能的利用率，進(jìn)而影響水輪機(jī)的輸出功率。同時(shí)，不同的葉輪結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)管道流場(chǎng)產(chǎn)生不同的影響，影響葉輪的空蝕性能。因此，確定葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)是水輪機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

在節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉的實(shí)踐中，主要以中低壓灌溉管道進(jìn)行輸水為主。本文針對(duì)此類管道進(jìn)行管道水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)。管道設(shè)計(jì)工況如表1所示，以此為邊界條件進(jìn)行葉輪設(shè)計(jì)。

表1 管道設(shè)計(jì)工況Tab.1 Pipeline design condition

傳統(tǒng)的水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造是根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型譜參數(shù)表進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似的水輪機(jī)可根據(jù)水輪機(jī)相似理論，建立模型與原型水輪機(jī)各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。本工況下的管道水輪機(jī)由于尺寸太小，將其進(jìn)行相似比例縮小換算后，其葉片厚度太小無(wú)法滿足材料的力學(xué)性能。將其進(jìn)行加厚處理，則其換算后的流量、效率與模型型譜參數(shù)相去甚遠(yuǎn)。

因此本文參考傳統(tǒng)水輪機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)Solidworks 進(jìn)行水輪機(jī)葉輪的三維建模。葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。為了解水輪機(jī)葉輪流場(chǎng)的真實(shí)情況和水輪機(jī)的輸出情況，根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，以表1中的管道工況作為邊界條件，采用Fluent 進(jìn)行仿真計(jì)算。52°轉(zhuǎn)角6 葉片的葉輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of impeller

本文通過(guò)建立不同葉輪結(jié)構(gòu)，利用Fluent 軟件計(jì)算選取最佳的葉片結(jié)構(gòu)模型，記錄葉輪水力輸出能力，作為發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2.1.2 轉(zhuǎn)速估算

在對(duì)葉輪模型進(jìn)行仿真計(jì)算前，將模型導(dǎo)入到ANSYS中的Mesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用Element Quality 和Skewness 等指標(biāo)，對(duì)生成的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，使用Domain進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)格。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)管道的邊界條件，采用Dynamic Mesh 對(duì)葉輪進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算的參數(shù)如表3所示。

表3 仿真計(jì)算參數(shù)Tab.3 Simulation calculation parameters

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，得到葉輪轉(zhuǎn)速與葉片轉(zhuǎn)角、葉片數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，在葉片轉(zhuǎn)角45°～60°的范圍內(nèi)，葉輪轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)角的變大而提高。當(dāng)轉(zhuǎn)角為45°時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速約為440 r/min；當(dāng)轉(zhuǎn)角為60°時(shí)，轉(zhuǎn)速提高到705 r/min。從葉片數(shù)來(lái)看，在同一轉(zhuǎn)角下，增加葉片數(shù)量，轉(zhuǎn)速均在小范圍內(nèi)波動(dòng)，無(wú)較大變化。因此可認(rèn)為，在本文研究的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，只提高葉片數(shù)量，不能有效提高該葉輪模型的轉(zhuǎn)速。但從轉(zhuǎn)速上來(lái)看，在同樣的葉片數(shù)量條件下，每當(dāng)葉片轉(zhuǎn)角提高5°時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速隨之提高約90 r/min。因此可認(rèn)為，在本文研究的45°～60°的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，該葉輪模型的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)角的變化呈線性變化，滿足正比例關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系，繪制出同一葉片數(shù)量下葉輪轉(zhuǎn)速與葉片轉(zhuǎn)角的相關(guān)關(guān)系圖，如圖3（b）所示。因此，可利用葉輪轉(zhuǎn)速與葉片轉(zhuǎn)角的正比例關(guān)系推算出在45°～60°內(nèi)的葉片轉(zhuǎn)角下各葉輪模型大致的轉(zhuǎn)速。

2.1.3 葉輪水力輸出分析

利用動(dòng)網(wǎng)格轉(zhuǎn)速計(jì)算，分析轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，可以計(jì)算其他葉片結(jié)構(gòu)下的葉輪轉(zhuǎn)速。考慮到水輪機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出功率的關(guān)系以及對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)的影響程度，結(jié)合葉輪轉(zhuǎn)速的變化情況，50°～55°的葉片轉(zhuǎn)角可滿足該發(fā)電系統(tǒng)的輸出要求，同時(shí)不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。因此，選取該區(qū)間的葉片轉(zhuǎn)角進(jìn)行穩(wěn)態(tài)下的水輪機(jī)的工作分析。利用葉輪轉(zhuǎn)速與葉片轉(zhuǎn)角的關(guān)系推算出的轉(zhuǎn)速作為初始條件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得出不同轉(zhuǎn)角下水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸出功率（W）與水力效率（%），從而確定性能最優(yōu)的葉輪結(jié)構(gòu)。不同轉(zhuǎn)角下輸出功率與葉片數(shù)關(guān)系如表4所示，不同轉(zhuǎn)角下水力效率與葉片數(shù)關(guān)系如表5所示，不同轉(zhuǎn)角下水頭損失與葉片數(shù)關(guān)系如表6所示。

表4 不同轉(zhuǎn)角下輸出功率與葉片數(shù)關(guān)系WTab.4 The relationship between the output power and the number of blades at different angles

表5 不同轉(zhuǎn)角下水力效率與葉片數(shù)關(guān)系%Tab.5 The relationship between the hydraulic efficiency and the number of blades at different angles

表6 不同轉(zhuǎn)角下水頭損失與葉片數(shù)關(guān)系mTab.6 The relationship between the head loss and the number of blades at different angles

綜合考慮設(shè)計(jì)水力輸出功率35 W，水頭損失不高于2%且效率高于80%，選取轉(zhuǎn)角為53°，數(shù)量為7 的葉片的葉輪模型作為水輪機(jī)的葉輪。在該葉輪構(gòu)型下，水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的工況如表7所示。

表7 水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行工況Tab.7 Stable running condition of hydraulic turbine

2.2 發(fā)電機(jī)的選型設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)按磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式可分為由永久磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)的永磁式發(fā)電機(jī)和由勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)。由于勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)體積較大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，且需另外供電，不適合用于管道發(fā)電系統(tǒng)［6］。因此，選用永久磁鐵進(jìn)行生磁的方式，并對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行選型。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、輸出功率以及發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)布置，選用型號(hào)為MOTOR QRM400HX 的永磁直流發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)輸出工況如表8所示。

表8 發(fā)電機(jī)輸出工況Tab.8 Generator output condition

根據(jù)葉片轉(zhuǎn)角為53°葉片數(shù)為7 的水輪機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的工況，轉(zhuǎn)速為580 r/min，水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速保持一致。在不考慮其他損失的情況下，則發(fā)電機(jī)的輸出電壓約為55 V。

2.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要包括控制電路的設(shè)計(jì)與DC-DC 電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)電路控制框圖如圖4所示。

2.3.1 DC-DC電路設(shè)計(jì)

DC-DC 變換電路有很多不同類型，按變換器的功能分為：BOOST 升壓型電路、BUCK 降壓型電路、BUCK-BOOST 升降壓型電路以及CUK 斬波電路。因本系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的輸出電壓大于蓄電池和設(shè)備的輸入電壓，故選擇BUCK 降壓型變換電路［7］，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 占空比的大小以匹配負(fù)載，從而將發(fā)電機(jī)的輸出電壓變換為適合用電器和蓄電池使用的穩(wěn)定低電壓。

2.3.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路由主控制器、電壓電流檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路組成。為了實(shí)行高效的農(nóng)業(yè)灌溉，灌溉水量會(huì)隨作物的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，這一調(diào)節(jié)過(guò)程會(huì)影響基于管道水流發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性。為提高發(fā)電系統(tǒng)的能源利用率，采用最大功率點(diǎn)跟蹤策略，即MPPT。采用該種控制方法，當(dāng)電路內(nèi)外部阻抗相同時(shí)，電路即以最大功率進(jìn)行輸出。在該設(shè)計(jì)中，DC-DC 變換電路作為阻抗變換器，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 占空比的大小以匹配負(fù)載［8］。這一調(diào)節(jié)過(guò)程需要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)對(duì)控制電路的輸入輸出進(jìn)行采集，并將采集的電流、電壓信號(hào)傳輸給控制器，控制器根據(jù)控制策略，將PWM 信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)放大后輸出給DC-DC電路，最終實(shí)現(xiàn)MPPT控制。

（1）主控制器的選型。因管道水流發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量較小，主控制器在選型上需要使用低功率型號(hào)，以支持農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)測(cè)設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作。同時(shí)，考慮到野外惡劣多變的自然環(huán)境，主控制器也需要極高的穩(wěn)定性。綜上所述，本設(shè)計(jì)選用基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103C8T6 微控制器作為該電路的主控制器。該控制器可在睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，通過(guò)VBAT為RTC 和后備寄存器供電。其供電電壓為2.0～3.6 V，工作溫度范圍為-40～+85 ℃，能夠很好地適應(yīng)極端天氣的變化。在擴(kuò)展方面，該控制器具有9 個(gè)通信接口和37 個(gè)快速I/O 端口，適用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中大量傳感器的集成。STM32F103C8T6微控制器在低功耗、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性上均滿足供電系統(tǒng)的要求。

（2）電壓電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。電流檢測(cè)方面，電流傳感器選用基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，型號(hào)為ACS712。該型號(hào)傳感器使用5.0 V 單電源進(jìn)行供電，輸出靈敏度為66～185 mV/A，帶寬為80 kHz，在25 ℃下總體輸出誤差為1.5%。同時(shí)，其尺寸較小，在響應(yīng)速度、絕緣性及穩(wěn)定性方面都具有較優(yōu)的性能。電流檢測(cè)電路如圖5所示。

電壓檢測(cè)方面，基于LM358 雙運(yùn)算放大器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。電壓檢測(cè)電路如圖6所示。LM358雙運(yùn)算放大器在電路中構(gòu)成電壓跟隨器，單電源下電壓范圍為3～30 V，雙電源工作模式下范圍為±1.5～±15 V，同時(shí)具有低功耗電流，適合于電池供電。

（3）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。主控制器根據(jù)程序分析輸入的電壓電流信號(hào)，輸出PWM 信號(hào)。但由于控制器輸出的PWM 為控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)能力比較弱，不能直接驅(qū)動(dòng)MOS 管開關(guān)［9］。為此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)放大PWM 信號(hào)，選用型號(hào)為IR2104作為MOS管的專用驅(qū)動(dòng)芯片，其電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

2.4 蓄電池選型設(shè)計(jì)

在實(shí)行按需灌溉的過(guò)程中，灌溉水流無(wú)法始終滿足發(fā)電的需要。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，需通過(guò)蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備向農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。同時(shí)，蓄電池在供電系統(tǒng)當(dāng)中還起到平衡負(fù)載和能量調(diào)節(jié)的作用。因此，蓄電池的使用壽命和穩(wěn)定性直接影響到系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行［10］。從當(dāng)前的市場(chǎng)普及率來(lái)看，鋰電池和鉛酸蓄電池被大量應(yīng)用于新能源發(fā)電系統(tǒng)中。在同等容量、電壓下，鋰電池重量更輕，能量密度更高，但其造價(jià)相對(duì)較高，且極不穩(wěn)定。鉛酸蓄電池電壓特性平穩(wěn)、溫度適用范圍廣，同時(shí)價(jià)格低廉，安全性高。綜上所述，使用鉛酸蓄電池作為供電系統(tǒng)的儲(chǔ)能電池。

在現(xiàn)有的自動(dòng)灌溉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，設(shè)備輸入電壓主要以12 V為主。同時(shí)，考慮設(shè)備的功率和工作時(shí)間，在最大使用范圍內(nèi)，24 Ah 即可滿足設(shè)備的正常工作需要。因此，最終選用輸出電壓為12 V，容量為24 Ah的鉛酸蓄電池。

2.5 I/O擴(kuò)展口設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)需要，需布置溫濕度傳感器、流量傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程通訊等設(shè)備，這些設(shè)備都通過(guò)I2C 總線與主控制器通信。但本系統(tǒng)采用的主控制器只有2個(gè)I2C接口，不能滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)需要，且后期設(shè)備擴(kuò)展不便直接與主控制器相連。為此本文選取2 片型號(hào)為MCP23017 的I/O 擴(kuò)展器，掛載于主控制器的同一條I2C總線上。該擴(kuò)展器帶有16位遠(yuǎn)程雙向I/O端口，能夠滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的擴(kuò)展需求。MCP23017 擴(kuò)展模塊電路如圖8所示。

3 控制程序設(shè)計(jì)

本文在充放電策略上采用MPPT 控制方法進(jìn)行調(diào)控，其程序設(shè)計(jì)如圖9所示。在該方法的調(diào)控下，控制電路的主控制器根據(jù)采集到的電流電壓信號(hào)，輸出PWM 信號(hào)以調(diào)節(jié)DC-DC 變換電路的占空比，從而匹配負(fù)載，達(dá)到最大輸出功率。

在系統(tǒng)具體的充放電過(guò)程中，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，并檢測(cè)此時(shí)的蓄電池狀態(tài)，通過(guò)程序判斷蓄電池電壓是否滿足供電要求。取U1為正常工作電壓，取U2為最大工作電壓。當(dāng)蓄電池電壓低于U1時(shí)，系統(tǒng)采用MPPT控制方法，調(diào)控主控制器輸出PWM 信號(hào)以調(diào)節(jié)占空比，為蓄電池充電；當(dāng)蓄電池電壓高于U1低于U2時(shí)，則蓄電池處于正常工作狀態(tài)，為最大程度利用灌溉水能，采用恒壓充電的方式使蓄電池達(dá)到飽和狀態(tài)；當(dāng)蓄電池電壓高于U2時(shí)，電量過(guò)飽和，為保證系統(tǒng)的安全，斷開充電開關(guān)，發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

為了解實(shí)際灌溉過(guò)程中，系統(tǒng)輸出受水流變化的影響程度，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)如下。試驗(yàn)負(fù)載：農(nóng)業(yè)氣象與土壤墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備，額定供電電壓為12 V，工作電流0.1～1 A，所含設(shè)備和數(shù)量如表9所示。

表9 農(nóng)業(yè)氣象與土壤墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備Tab.9 Agrometeorological and soil moisture monitoring equipment

方案一：非灌溉時(shí)段，用水需求量很少，管道水流處于低速流動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，水輪機(jī)處于靜止工作狀態(tài)，由蓄電池為負(fù)載進(jìn)行供電。實(shí)測(cè)24 h 耗電量為蓄電池儲(chǔ)電量的43%，能夠滿足短期內(nèi)無(wú)充電狀態(tài)下設(shè)備的供電。

方案二：選取每天灌溉時(shí)段為9∶00-17∶00，此時(shí)管道水流流速較大，水輪機(jī)處于正常工作狀態(tài)。在12 V 輸出電壓、0.5 A輸出電流的負(fù)載條件下，發(fā)電系統(tǒng)輸出功率25 W，12 V/24 Ah蓄電池輔助供電，經(jīng)測(cè)試9∶00 蓄電池電量最低，電量為69%，13∶30 左右蓄電池電量為100%，此時(shí)由發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)為設(shè)備供電。表10為不同工況下發(fā)電系統(tǒng)的輸出結(jié)果。

表10 發(fā)電系統(tǒng)輸出結(jié)果Tab.10 The output of the generation system

綜上所知，小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下，輸出功率能夠滿足為設(shè)備和蓄電池的供電需要，驗(yàn)證了在蓄電池的輔助下，本系統(tǒng)長(zhǎng)期為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備供電的可靠性。

5 結(jié) 論

（1）本文在特定工況下，通過(guò)改變?nèi)~片數(shù)量與葉片偏角，選取得到最佳葉輪模型，實(shí)現(xiàn)最大效率利用水能。

（2）設(shè)計(jì)了一種適合于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)電路采用MPPT最大功率點(diǎn)供電策略，使系統(tǒng)工作在最大功率處，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)節(jié)過(guò)程中供電的可靠性?！?/p>