基于太陽能光伏技術的農田智能化灌溉系統

邱林++覃江峰

摘要：通過將太陽能光伏技術應用于農田智能化灌溉系統，設計系統的太陽能供電電源功能模塊、太陽能智能化控制灌溉模塊及其子功能模塊，研究應用太陽光照自動跟蹤原理、最大輸出功率點跟蹤原理、模糊控制原理等相關理論，實現太陽能光照強度最大、太陽能供電電源輸出功率最大、不同負載等級的穩定電流輸出、模糊控制自動灌溉、電能轉換為水勢能存儲等應用功能，利用太陽能光伏技術實現智能化精準灌溉。設計比較試驗表明，與普通的太陽能電池板相比，具備太陽光照自動跟蹤設備、最大輸出功率點跟蹤設備的太陽能電池板總輸出功率效率明顯提高，負載的水泵抽水效率高，且功率輸出穩定、持續時間長。

關鍵詞：太陽能光伏技術；智能化灌溉；太陽能電源輸出功率；穩定電流輸出；電能轉化水勢能

中圖分類號： S274.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0373-03

收稿日期：2015-11-08

基金項目：國家自然科學基金（編號：51409050）；廣西高校科研項目（編號：201204LX621）。

作者簡介：邱林（1983—），女，廣西河池人，碩士，講師，從事計算機網絡及電子商務的研究與教學。E-mail：346448337@qq.com。廣西壯族自治區是甘蔗、木薯的主產區之一，而這些作物的種植區多屬老少邊窮地區，電網覆蓋密度小，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，為節省種植區域的布線成本和維護成本，已研制出較為成熟的無線傳輸控制技術并得到應用，但田間傳感器、電磁閥、無線設備等裝置的供電仍采用有線方式，與農田智能化灌溉系統的發展目標尚有一定差距。廣西地區甘蔗和木薯等作物的種植期、生長期、成熟期均為2、3月至11、12月，平均日照時數超過 2 000 h，太陽能資源十分豐富。廣西地區雨水較多，長時間灌溉作業的次數極少，因此采用太陽能光伏技術作為智能化灌溉系統的供電能源及提水勢能源具有可行性。擬利用廣西地區緯度低、太陽輻射強、降雨量豐富的優點，研究設計太陽能光伏在農田智能化灌溉系統中的供電及水泵提水技術，不僅進一步節省布線及維護成本，還能避免因停電導致系統癱瘓的風險。研究成果可為甘蔗、木薯等作物的節水灌溉及節能減排增效提供關鍵性技術參考。

1太陽能光伏技術在系統中的應用及功能介紹

1.1太陽能光伏技術在系統中的應用

太陽能光伏技術在農田智能化灌溉系統中的應用主要包括兩大功能模塊，即太陽能供電電源功能模塊、太陽能田間智能化灌溉（水泵提水）功能模塊。太陽能供電電源模塊由3個子模塊組成，分別為太陽能光照強度自適應設備、電源主回路、電源控制，其主要功能是為智能化灌溉系統中的各種參數檢測及應用設備提供穩定、高效的工作電源。太陽能田間智能化灌溉（水泵提水）模塊的功能是依據光照度、土壤含水率、土壤溫度等環境量參數對田間狀態進行模糊控制判斷，并控制灌溉設備對田間作物進行精準灌溉；該模塊又分為智能化灌溉、儲蓄水勢能2個子模塊。

1.2太陽能光伏技術在系統中的功能

在太陽能供電電源模塊中，可通過2種方式利用太陽能光照強度自適應設備實現太陽能電池輸出功率的提高，即太陽能電池板自動調整朝向，跟蹤太陽直射角；利用電源主回路前端控制電路和模糊控制算法實現對太陽能電池板最大輸出功率點的跟蹤（MPPT）。為滿足系統中其他不同負載設備的供電需求，還須設計直流降壓模塊，通過控制降壓電路實現多個電壓等級的電流輸出[1]。

在太陽能田間智能化灌溉（水泵提水）模塊中，智能化灌溉控制模塊的主要功能是通過土壤溫濕度傳感器等設備檢測土壤含水率，根據檢測到的土壤含水率數據對灌溉閾值進行系統判斷，并通過繼電控制器對田間的電磁閥進行開啟或閉合控制，實現對田間作物的自動、半自動精準灌溉。儲蓄水勢能（水泵提水）功能模塊是將太陽能供電電源設備輸出的電能通過水泵運行轉化為水的勢能并儲存，當太陽能供電電源功率達不到要求時，智能化灌溉系統直接取用儲水水塔的水對田間作物進行灌溉。

2太陽能光伏技術在系統中的設計實現

2.1太陽能供電電源模塊設計

智能化灌溉系統的檢測、灌溉、傳輸、控制等設備均離不開電源，因此太陽能供電電源的應用對整個系統的運行具有重要作用。系統設計中采用離網獨立光伏發電系統作為太陽能供電電源的基礎，通過2種方式提高太陽能供電電源的輸出效率，即電源主回路前級電路和控制算法、桿影式及間歇自動跟蹤系統，且電源主回路為系統提供多種負載的直流電源。

2.1.1太陽能供電電源模塊總結構太陽能供電電源模塊的總結構見圖1。基于太陽能光伏技術的農田智能化灌溉系統，當太陽光輻射強且土壤含水率低時，進行田間灌溉；當太陽光輻射弱且土壤含水率相對較低或相對較高時，進行少量灌溉或不灌溉。在太陽能供電電源的設計中，改變以往使用蓄電池儲能的思路，改為采用水泵提水，將電能轉化為水勢能進行存儲。該方法不僅減少了項目實施過程中蓄電池購買、維護開銷的大量費用，還能避免廢棄或損壞的蓄電池分解可能對環境造成的污染。太陽能供電電源模塊還須提高太陽能電池板的輸出功率并輸出穩定直流，同時實現太陽能電池板最大輸出功率點跟蹤（MPPT）。前者可通過設計中應用的太陽光照度自適應設備以保持太陽能板始終正對太陽直射角來實現，后者可通過電源主回路中的直流斬波電路來實現。

2.1.2太陽光照強度自適應設備模塊為使太陽能供電電源受到的光照效果最強，設計中采用太陽光照度自適應設備，使太陽能板時刻保持在太陽光直射角的位置。為達到自適應的要求，設計中借鑒了一種新型桿影式自動跟蹤系統，其基本工作原理為：利用太陽光線照射直桿所產生的影子遮擋檢測盤上的光敏電阻，從而對太陽位置進行定位；設計雙軸電機以實現橫向和縱向轉動，進一步促使太陽能板正對太陽直射角，從而使太陽光照直射太陽能板[1]。

2.1.3電源主回路模塊電源主回路模塊的設計主要用于解決2個方面的問題，即太陽能板產生不穩定直流電能，以及智能化灌溉系統中各功能子模塊、設備控制電機等需要穩定電壓等級多樣的直流電源。其基本工作原理為：電源主回路中太陽能電池板最大功率輸出點跟蹤（MPPT）功能，以及將不穩定的輸出電壓轉換為穩定輸出的24 V直流電功能均通過直流斬波電路實現。當電源主回路穩定輸出24 V直流電后，再通過降壓模塊控制各直流降壓裝置，從而為系統電路提供5、12、24 V等不同電壓等級的穩定直流電。當系統接入逆變器時，還可滿足因其他應用交互而需要交流電的情況，并能達到多種交流負載用電要求。

2.1.4電源控制模塊電源控制模塊由電壓及電流檢測、主回路控制2個部分組成，可為系統工作狀態提供選擇依據，反映太陽能供電電源輸出和負載端的功率狀態；同時，還可驅動直流斬波電路的功率管進行PWM控制、降壓模塊控制。

2.2太陽能田間智能化灌溉模塊設計

太陽能田間智能化灌溉模塊采用模糊控制灌溉策略，并以儲蓄水勢能的設計思路代替了傳統的蓄電池儲能思路。其工作運行主要包括智能化灌溉控制模塊、儲蓄水勢能模塊2個子模塊。

2.2.1智能化灌溉模塊的工作模式及結構智能化灌溉控制模塊的工作過程分為太陽光輻射強度較強、較弱2種基本狀態。當太陽光輻射強度較強，且土壤含水率低于系統設置的灌溉閾值時，經過模糊控制判斷，電磁閥開啟進行灌溉；太陽能電池發電剩余的電能還可通過水泵轉換為水勢能進行存儲，而不采用傳統的蓄電池存儲方式。當太陽光輻射強度較強，而土壤含水率高于系統設置的灌溉閾值時，經過模糊控制判斷，電磁閥關閉，不進行灌溉；此時太陽能電池的發電電能通過水泵轉換為水勢能進行存儲。當太陽光輻射強度較弱，且土壤含水率低于系統設置的灌溉閾值時，由于太陽能供電電源輸出功率小于水泵運行所需要的功率，無法驅動水泵運行，此時僅用蓄水池中的儲水進行基本灌溉。當太陽光輻射強度較弱，且土壤含水率高于系統灌溉閾值時，既不啟動電磁閥，也不驅動水泵運轉將電能轉換為水勢能存儲。智能化灌溉模塊的基本結構見圖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、灌溉管網組成。灌溉控制策略的基本依據是模糊控制算法，灌溉控制電路則主要由傳感器電路部分、模糊繼電控制器、驅動電路組成[2]。智能化灌溉子模塊的工作過程為：土壤溫濕度傳感器對土壤水分值進行檢測，并將檢測數據傳輸至模糊控制主機中；控制主機經過模糊分析及判斷，結合當時的太陽能供電電源輸出功率值，得到精準灌溉策略，并將灌溉指令通過模糊繼電控制器及驅動電路傳輸給田間灌溉設備（電磁閥），進行田間智能化灌溉。

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

3太陽能供電電源模塊軟件設計

太陽能電源模塊對2塊電池進行電壓檢測，當放電電池的電壓低于設定伏值時進行電池切換，對放電電池進行充電，對充電電池進行放電。程序流程見圖4。

4試驗研究與結果分析

試驗主要針對2個方面內容進行分析測試，即太陽能供電電源模塊的發電能力、系統主要負載（水泵提水）能力。同時，通過測量太陽能輸出端參數，檢驗太陽能供電電源的輸出功率和系統主要負載（水泵）的抽水性能。

4.1試驗方法

設計A、B 2組不同狀態的太陽能電池板，A組帶太陽能光照強度自適應設備，B組則將太陽能電池板朝南35°擺放。將這2組電池板與試驗平臺、電流表、萬用表、相同型號的負載水泵進行連接。準備2臺水泵、4個大小相同的水桶。將其中2個水桶裝入等量的水，水位高度一致，作為A、B 2組不同狀態試驗的水源。將2臺水泵的進水水管端分別接入2個水桶中，并將出水水管端接入2個未裝水的水桶中，作為水泵出水口水桶。分別為A、B 2組試驗裝置接通電源使水泵運行，記錄萬用表等設備的讀數。采用量筒測量2個出水端水桶的需水量，測量時間間隔為1 h，即每個整點測量1次，并記錄數據。試驗于廣西壯族自治區崇左市夏季常態天氣下某天的08：00—18：00進行。

4.2試驗結果

試驗所得數據見表1。

4.3試驗結果分析

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

由流量-時間曲線（圖6）可知，A組的流量明顯大于B組。

A組采用了MPPT功能和太陽光照度自適應設備，使A組水泵能夠充分利用太陽能電池的發電能力。根據公式：功率=電壓×電流，可知A組輸出功率較大且持續時間長。B組未采用上述2項功能，水泵的額定電壓（24.0 V）遠低于太陽能電池板的最大工作電壓（37.7 V），致使太陽能電池板的發電能力被浪費。大部分時間B組中太陽光線無法垂直射入太陽能電池板，輸出電流相對較小，輸出功率隨之較小，且持續時間短。

試驗結果表明，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，在復雜的天氣狀況下A組能夠更加穩定地工作。

參考文獻：

[1]向歡. 太陽能光伏綠地自動灌溉系統研究[D]. 長沙：湖南農業大學，2013.

[2]崔寧博，董波. 太陽能節水灌溉系統的應用研究進展[J]. 貴州農業科學，2015，43（2）：170-174.

[3]劉強，黎妹紅，朱明峰，等. 太陽能在智能生態農業中的應用[J]. 北華大學學報：自然科學版，2012，13（3）：344-347.

[4]李光林，李曉東，曾慶欣. 基于太陽能的柑橘園自動灌溉與土壤含水率監測系統研制[J]. 農業工程學報，2012，28（12）：146-152.

[5]車保川. 基于單片機的低功耗太陽能灌溉系統設計[J]. 濟南職業學院學報，2015（1）：92-93，118.朱晨輝，王忠利，種東風，等. 田間三輪高架作業車轉向系統的參數化分析及優化[J]. 江蘇農業科學，2016，44（5）：376-379.