基于光伏驅動的串聯直流水泵灌溉系統設計與實現*

朱書啟

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000）

0 引言

農業灌溉是農業生產過程中不可或缺的環節，其能耗占農業生產總能耗的比重較大。傳統農業灌溉方式主要依賴于燃油發電機組或市電進行驅動，這些方法往往伴隨著高能耗、高排放和環境污染問題，在部分耕作地區，供電不便、供電成本過高等問題長期存在。因此，探索一種綠色、可持續的農業灌溉方式具有重要的現實意義和迫切性[1]。在尋求綠色、可持續的農業灌溉方法時，光伏發電憑借其清潔、可再生和綠色環保等優勢成為理想的能源選擇。光伏發電是利用太陽能電池板將太陽能轉化為電能的過程，不僅能源取之不盡、用之不竭，而且在發電過程中幾乎沒有污染物排放，是一種真正的綠色能源[2]。

為充分利用光伏發電的優勢，本文提出了一種基于光伏驅動的串聯直流水泵灌溉系統。為驗證該系統的可行性，實驗通過20個動力單元的串聯，實現對高位置農田的灌溉。每個動力單元包括一個光伏板和一個直流水泵，光伏板為水泵提供能源，能夠在陽光的充足照射下產生直流電，為水泵提供動力，將低處的水源逐級提升至高位置的農田。這種串聯方式充分利用了太陽能，節省了能源消耗，減少了碳排放，有利于環境保護。為方便農民操作和管理，本文設計了一個手機遠程控制模塊，用戶可以通過手機遠程啟動和停止灌溉系統，并實時查看系統的運行狀態、故障信息等。此外，本系統還具有故障檢測和保護功能，當系統出現異常情況時，可以自動進行故障診斷并采取相應措施，保證系統的穩定運行。

在實際應用中，該系統還可以根據不同地區的氣候、地形和農田需求進行定制和優化。例如，針對陽光資源豐富的地區，可以增加光伏板的面積以獲得更多的發電量；針對地勢較為復雜的地區，可以調整水泵的揚程和動力單元的數量以滿足不同高度農田的灌溉需求。通過這些優化措施，可以進一步提高系統的適應性和靈活性，滿足不同農田的灌溉需求。值得注意的是，隨著科技的進步，未來光伏板的轉換效率和水泵的工作效率有望進一步提高。這將使得基于光伏驅動的串聯直流水泵灌溉系統在性能上更加優越，為農業節能減排提供更多可能。同時，隨著物聯網、大數據和人工智能等技術的不斷發展，未來農業灌溉系統還可以實現更智能、更精準的控制，提高農業生產效率和資源利用效率。

本文提出的基于光伏驅動的串聯直流水泵灌溉系統，為解決高地勢農田的水資源利用問題提供了一種新的解決方案。該系統不僅具有節能、環保的優點，還可以通過手機遠程控制進行方便的操作和管理，具有較強的實際應用價值。隨著相關技術的不斷發展和優化，這種綠色、可持續的農業灌溉方式將在未來的農業生產中發揮越來越重要的作用，為應對全球氣候變化和能源危機提供有效途徑[3]。

1 系統設計與原理

1.1 系統組成

1）光伏板：負責將太陽能轉化為電能，為直流水泵提供能源。通常采用硅基太陽能電池板，具有較高的轉換效率和穩定性。

2）直流水泵：負責將低位水源抽取提升至高位農田。直流水泵的優點是效率高、噪聲小、使用壽命長，適合遠程控制。

3）單向閥：安裝在每個水泵的出水口，用于防止水流回流，確保水流單向流動。

4）控制模塊：負責實現系統的啟動、停止、故障檢測和保護功能，包括光伏發電量檢測、水泵工作狀態監測、故障診斷等。

5）通信模塊：用于實現手機遠程控制和監控功能。采用無線通信技術（如GSM、4G、5G等）連接互聯網，實現遠程操作和實時數據傳輸。

6）水管和連接件：用于連接各個動力單元，將低位水源逐級提升至高位農田。本研究實驗采用內徑為2英寸的水管。

1.2 工作原理

系統通過光伏板發電驅動直流水泵，采用串聯方式實現低位水源逐級提升，滿足高位置農田的灌溉需求。同時，系統具有手機遠程控制和故障保護功能，便于操作和管理。這種創新的農業灌溉方式有助于降低能耗、減少碳排放，推動農業生產向更加綠色、可持續的方向發展[4]。

1）光伏發電：當太陽光照射到光伏板上時，光伏板將光能轉化為電能。光伏板的發電量取決于光照強度、轉換效率和面積。在晴天，光照強度通常為1 000 W/m2。通過計算，可以得到光伏板的發電量，并根據水泵的功率需求進行匹配[5]。

2）直流水泵驅動：光伏板發電產生的直流電流直接驅動直流水泵工作。水泵將低位水源抽取并提升至下一個動力單元，實現水源的逐級提升。為保證系統效率，需根據實際需求選擇合適的水泵類型和參數。

3）串聯方式：系統采用串聯方式將多個動力單元連接起來，每個動力單元由一個光伏板、一個直流水泵和一個單向閥組成。通過水管和連接件，將各個動力單元的出水口串聯起來，形成一個連續的水流路徑，實現低位水源逐級提升至高位農田。串聯方式的優勢在于系統可以靈活地根據地形和農田高度進行調整，便于適應不同農業生產環境。

4）單向閥控制：在每個動力單元的水泵出水口安裝單向閥，防止水流回流。單向閥的作用是確保水流在整個系統中始終保持單向流動，提高系統的運行穩定性和效率。

5）控制與保護：控制模塊負責實現系統的啟動、停止、故障檢測和保護功能。通過檢測光伏板發電量、水泵工作狀態等參數，實現對系統的實時監控和智能控制。當系統出現故障時，控制模塊可以自動進行故障診斷并采取相應措施，如暫停所有動力單元的工作，確保系統安全穩定運行[6]。

6）遠程控制與監控：通信模塊將系統連接到互聯網，實現手機遠程控制和監控功能。用戶可以通過手機應用程序隨時隨地啟動、停止系統，查看實時數據，監控系統運行狀態。這種遠程控制方式大大提高了系統的便捷性和實用性，為農業生產提供了更加智能化的解決方案[7]。

2 關鍵技術

2.1 水泵的選型

首先，確定末端出水量和揚程要求，在本案例中，末端出水量要求為5 t/h，總水頭H可表示為20個驅動單元之間的垂直高度h之和，單位為m。

其次，計算所需的水泵功率。根據給定的水泵效率（假設為70%），可以使用以下公式計算所需的水泵功率：

最后，選擇一個具有所需揚程和流量性能參數的直流水泵。根據計算出的水泵功率，查找市場上可用的水泵產品，選擇一個能滿足要求的水泵。在選擇水泵時，應關注其性能曲線圖，確保在給定的揚程和流量條件下，水泵能夠正常工作。

2.2 光伏板選型與匹配

根據水泵的功率需求，選擇合適的光伏板以提供足夠的電能。考慮光伏板的轉換效率、容量、尺寸等因素，確保在不同光照條件下均能滿足系統的能源需求。光伏板的匹配需要考慮系統功率損耗、水泵效率、光伏板效率等因素。

光伏板的功率需與水泵的功率匹配，以確保系統在正常光照強度下（假設為1 000 W/m2）能夠滿足水泵的驅動需求。計算光伏板的面積和功率，可以根據光伏板的轉換效率（假設為20%）進行計算：

2.3 垂直高度的確定

為確保水泵具備足夠的揚程將水源輸送至所需高度，需要將水泵的揚程與每個驅動單元之間的垂直高度進行匹配。在本系統中，共有20個驅動單元串聯，因此需要仔細評估每個單元之間的垂直高度以達到理想的灌溉效果。

1）確定每個驅動單元之間的垂直高度。需要根據實際的地形和灌溉區域的高度差來確定每個驅動單元之間的垂直高度h，可以利用地形測量儀器或高程數據來獲取精確的高度差信息。

2）計算總水頭。在確定了每個驅動單元之間的垂直高度h后，可以計算整個系統所需的總水頭H。由于共有20個驅動單元串聯，總水頭H可以表示為：

3）水泵揚程與垂直高度匹配。在選定了水泵后，應確認其揚程是否滿足整個系統所需的總水頭H。一般來說，水泵的額定揚程應略高于計算出的總水頭H，以保證水泵在實際運行過程中能夠有效地將水提升至所需高度。

4）考慮流體阻力損失。在實際運行過程中，流體在管道中的流動會產生阻力損失，導致實際揚程低于理論揚程。因此，在選型過程中，還需為水泵的揚程留有一定的余量，以補償流體阻力損失。具體的余量取決于管道長度、管道材質、管道內徑等因素。

2.4 異常狀態處理

本系統在運行的過程中，會出現云朵遮擋、機械故障等情況，為保證系統安全，各單元之間通過水壓進行狀態信息傳遞的具體控制過程如下：

1）水壓監測。為實現各驅動單元之間的水壓狀態信息傳遞，每個單元需要安裝一個水壓傳感器，用以監測水壓。水壓傳感器將實時采集水壓數據，并將數據傳輸至嵌入式控制器。

2）數據處理與判斷。嵌入式控制器接收到來自各個水壓傳感器的數據后，將對數據進行處理和判斷。控制器需要設定合理的水壓上限值和下限值，用以判斷各驅動單元的運行狀態。當某個單元的水壓高于上限值時，說明后一級單元的動力不足，需要等待其恢復動力；當某個單元的水壓低于下限值時，說明前一級單元的水供應不足，需減緩水泵的工作速度。

3）控制命令下發。控制器根據判斷結果，對各驅動單元下發相應的控制命令。若某個單元的水壓高于上限值，則控制器會向所有水泵發送停止工作命令，讓它們進入等待狀態。同時，控制器會監控后一級單元的恢復情況，一旦恢復正常，將重新啟動所有水泵[8]。

4）恢復監測。在等待過程中，控制器需要實時監測各驅動單元的水壓狀態。當所有單元的水壓都處于正常范圍內時，說明系統已恢復正常運行狀態。此時，控制器會向所有水泵發送啟動命令，恢復正常工作。

5）故障處理與通知。若某個驅動單元的水壓長時間無法恢復至正常范圍內，控制器將判斷其為故障狀態。此時，除了對其他水泵執行暫停操作外，控制器還需要將故障信息上傳至云端服務器，并通過服務器將故障通知發送至用戶的手機應用程序，以便用戶及時處理。

2.5 遠程控制

當用戶在手機應用程序上發出控制命令（如啟動、停止、調整灌溉模式等）時，命令會通過云端服務器發送到嵌入式控制系統。控制系統收到命令后，首先對命令進行解析，然后根據命令內容對水泵進行相應的控制操作。

以啟動命令為例，當嵌入式控制系統收到啟動命令后，會逐個啟動各個驅動單元的直流水泵。首先啟動第一個驅動單元，當其水壓穩定后，再依次啟動后續的驅動單元。在啟動過程中，控制系統會實時監測各驅動單元的水壓，確保水泵按照預定的工作模式正常運行。同時，嵌入式控制系統會將水泵的運行狀態信息上傳至云端服務器，并通過手機應用程序實時展示給用戶[7]。

對于停止命令，嵌入式控制系統會逐個關閉各個驅動單元的直流水泵，并在關閉過程中監測各驅動單元的水壓，確保水泵安全停止。同樣的，停止過程中水泵的狀態信息也會實時上傳至云端服務器，并通過手機應用程序展示給用戶。

通過以上控制命令的下發過程，用戶可以利用手機應用程序方便地實現對基于光伏驅動的串聯直流水泵灌溉系統的遠程控制。這樣的設計提高了系統的操作便利性和實時性，有利于提高農業生產效率，降低維護成本[9-11]。

3 總結

本文所提出的基于光伏驅動的串聯直流水泵灌溉系統設計方案具有較高的實際應用價值，對于推動農業生產的綠色發展、提高能源利用效率以及減輕環境壓力具有積極意義。

1）利用光伏板作為能源驅動直流水泵工作，能夠實現綠色、可持續的農業灌溉，減少對燃油發電機組或市電的依賴，降低能源消耗，減少環境污染。

2）采用串聯的方式將低位水源逐級提升，對高位置農田進行灌溉，實現了水泵性能的最大化利用，提高了系統的灌溉效率。

3）設計了一套檢測及控制模塊，實現了對水泵、光伏板等關鍵部件的實時監測，當某個驅動單元出現故障時，系統能夠及時檢測并暫停所有單元的工作，確保系統的安全運行。

4）通過SIM卡和云端服務器，實現了手機遠程控制整個系統工作的開始與停止，提高了系統的操作便利性和實時性，有利于提高農業生產效率，降低維護成本。

5）通過各驅動單元之間的水壓狀態信息傳遞，實現了對系統狀態的監測和控制，能夠確保系統在各級水壓正常范圍內穩定運行。