農業光伏電站智能灌溉系統研究

吳麗軍，李煥彬，汪宏亮，胡益豪，方曉敏

（衢州職業技術學院，浙江 衢州 324000）

農業光伏電站將光伏發電和農業相結合，充分利用土地資源，具有良好的經濟社會效益。在“雙碳”背景下，具有良好的發展前景。截至2021 年，國內農業光伏電站約6500 萬kW，占地大約1218.8 萬畝（1 畝約等于667 m2）。南方地區的農業光伏電站大多建在丘陵緩坡上，存在灌溉困難的問題，導致種植效益低，甚至出現土地被棄用的情況。現有的農業灌溉系統成本高、通用性低，難以適用于農業光伏電站，亟需開發專用于農業光伏電站的智能灌溉系統。

本文將灌溉系統與光伏電站設施充分融合，大大降低系統成本，在灌溉的同時實現光伏組件的清洗，提高光伏電站的發電量，從而大大提高了灌溉系統的經濟效益。項目的完成對解決我國農業光伏電站的灌溉問題具有重要的意義。

1 系統結構

由圖1 可知，試驗數據表明，農業光伏電站土壤濕度與光伏組件表面清潔度變化的趨勢基本相同，主要原因是晴天土壤濕度會下降，光伏組件表面的積灰也會增多，而在下雨時，土壤濕度會提高，同時光伏組件表面的灰塵也會被雨水沖洗。因此，農業光伏電站灌溉和光伏組件清洗的需求比較同步。本文根據該特點，設計了農業光伏電站灌溉和清洗一體化系統，實現農業光伏電站灌溉和清洗共用管道、灌溉和清洗共用水，如圖2 所示，該系統實現了一水兩用，大大降低了灌溉和清洗的成本，提高了經濟效益。

圖1 土壤濕度和光伏組件清潔度變化

圖2 農業光伏電站灌溉+清洗

系統結構圖如圖3 所示，控制器通過氣象儀、土壤濕度傳感器獲取當前土壤濕度、空氣溫濕度和風速等信息，同時上網獲取天氣預報數據，再根據設定的灌溉策略來判定是否需要啟動灌溉。在需要灌溉時，啟動自動清洗機構對光伏組件進行清洗，自動灌溉機構利用清洗后的水進行灌溉。系統還設置了無線通信模塊，實現與上位機數據的通信和參數的設置。

圖3 系統結構圖

2 電氣系統設計

農業光伏電站中的匯流箱具有數據采集和通信功能，并且匯流箱安裝在戶外光伏陣列中，本課題擬對光伏匯流箱進行改造，利用其實現種植環境數據采集、通信和自動灌溉控制。這樣可以大大降低農業光伏電站智能灌溉系統的成本。光伏匯流箱的結構示意圖如圖4 所示，在現有光伏匯流箱的基礎上增加了I/O 口，以及傳感器模塊和外部設備驅動接口。

圖4 農光互補光伏匯流箱控制系統示意圖

3 樣機制作與試驗

樣機如圖5 所示，在農業光伏電站下面種植了多肉植物，在光伏組件的上方設置了自動清洗機構，在組件的下端設置了水槽，用來收集光伏組件清洗后的水，收集后的水通過灌溉水管對下方的農作物進行灌溉。

圖5 試驗樣機

控制器如圖6 所示，主要包括網絡氣象獲取模塊、數據輸入模塊、清洗信號輸出模塊和電源模塊。控制器根據土壤濕度、作物需求和天氣預報數據，進行灌溉決策，決定灌溉時間和灌溉水量，如圖7 所示。

圖6 控制器

圖7 控制器工作原理

土壤濕度傳感器如圖8 所示，實時監測土壤濕度，為自動灌溉提供依據。灌溉和清洗時的照片如圖9 所示，清洗水管在絲桿機構的作用下自上往下運動對光伏組件進行清洗。

圖8 土壤濕度傳感器

圖9 灌溉+清洗工作圖

光伏組件清洗的照片如圖10 所示，清洗水管上均勻設置了噴水孔，噴射出具有一定壓力的水柱，對光伏組件具有良好的清洗效果。灌溉的照片如圖11 所示，灌溉水管與水槽相連，上面設置了多個噴水孔，可以對多個方向進行噴水灌溉。

圖10 光伏組件清洗圖

圖11 農作物灌溉圖

為了得到光伏組件的最佳清洗效果，進行了不同水壓、不同孔徑、不同移動速度和不同清潔度時的清洗效果試驗。最終根據試驗結果選取了合適的技術參數。不同清洗壓力時的清洗效果對比如圖12 所示，從圖中可以看出清洗壓力越高，清洗效果越好。當清洗壓力達到4 bar 時，清洗效果基本達到最佳。

圖12 不同清洗壓力時清洗效果對比

不同孔徑時的清洗效果對比如圖13 所示，從圖中可以看出孔徑越小，清洗效果越好。當孔徑達到1 mm時，清洗效果基本達到最佳。

圖13 不同孔徑時清洗效果對比

不同移動速度時的清洗效果對比如圖14 所示。從圖中可以看出移動速度越慢，清洗效果越好。當移動速度達到0.2 m/s 時，清洗效果基本達到最佳。

圖14 不同移動速度時清洗效果對比

4 應用與分析

在浙江省衢州市上彭川村農業光伏電站開展了應用。試用規模：試用光伏電板200 m2（對照組100 m2，實驗組100 m2）。種植農作物：在光伏電站下種植玉米，玉米品種使用澳早60 品種。

灌溉照片如圖15 所示。試驗結果表明，本系統實現了根據土壤濕度和作物需水量進行智能灌溉，并且灌溉均勻，效果良好。

圖15 灌溉照片

光伏組件清洗照片如圖16 所示。試驗表明將灌溉用水先用于光伏組件的清洗，可以有效清除灰塵，光伏組件發電量可以提升5%左右。

圖16 清洗照片

試用結果表明，本系統可以滿足農業光伏電站農作物灌溉的需求，經濟效益顯著，每畝種植增收1230元，灌溉用水對光伏板清洗作用，每畝光伏發電增收1218 元。