邱林++覃江峰

摘要：通过将太阳能光伏技术应用于农田智能化灌溉系统，设计系统的太阳能供电电源功能模块、太阳能智能化控制灌溉模块及其子功能模块，研究应用太阳光照自动跟踪原理、最大输出功率点跟踪原理、模糊控制原理等相关理论，实现太阳能光照强度最大、太阳能供电电源输出功率最大、不同负载等级的稳定电流输出、模糊控制自动灌溉、电能转换为水势能存储等应用功能，利用太阳能光伏技术实现智能化精准灌溉。设计比较试验表明，与普通的太阳能电池板相比，具备太阳光照自动跟踪设备、最大输出功率点跟踪设备的太阳能电池板总输出功率效率明显提高，负载的水泵抽水效率高，且功率输出稳定、持续时间长。

关键词：太阳能光伏技术；智能化灌溉；太阳能电源输出功率；稳定电流输出；电能转化水势能

中图分类号： S274.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0373-03

收稿日期：2015-11-08

基金项目：国家自然科学基金（编号：51409050）；广西高校科研项目（编号：201204LX621）。

作者简介：邱林（1983—），女，广西河池人，硕士，讲师，从事计算机网络及电子商务的研究与教学。E-mail：346448337@qq.com。广西壮族自治区是甘蔗、木薯的主产区之一，而这些作物的种植区多属老少边穷地区，电网覆盖密度小，田地灌溉用电难以得到保障。在笔者所在课题组以往的研究中，为节省种植区域的布线成本和维护成本，已研制出较为成熟的无线传输控制技术并得到应用，但田间传感器、电磁阀、无线设备等装置的供电仍采用有线方式，与农田智能化灌溉系统的发展目标尚有一定差距。广西地区甘蔗和木薯等作物的种植期、生长期、成熟期均为2、3月至11、12月，平均日照时数超过 2 000 h，太阳能资源十分丰富。广西地区雨水较多，长时间灌溉作业的次数极少，因此采用太阳能光伏技术作为智能化灌溉系统的供电能源及提水势能源具有可行性。拟利用广西地区纬度低、太阳辐射强、降雨量丰富的优点，研究设计太阳能光伏在农田智能化灌溉系统中的供电及水泵提水技术，不仅进一步节省布线及维护成本，还能避免因停电导致系统瘫痪的风险。研究成果可为甘蔗、木薯等作物的节水灌溉及节能减排增效提供关键性技术参考。

1太阳能光伏技术在系统中的应用及功能介绍

1.1太阳能光伏技术在系统中的应用

太阳能光伏技术在农田智能化灌溉系统中的应用主要包括两大功能模块，即太阳能供电电源功能模块、太阳能田间智能化灌溉（水泵提水）功能模块。太阳能供电电源模块由3个子模块组成，分别为太阳能光照强度自适应设备、电源主回路、电源控制，其主要功能是为智能化灌溉系统中的各种参数检测及应用设备提供稳定、高效的工作电源。太阳能田间智能化灌溉（水泵提水）模块的功能是依据光照度、土壤含水率、土壤温度等环境量参数对田间状态进行模糊控制判断，并控制灌溉设备对田间作物进行精准灌溉；该模块又分为智能化灌溉、储蓄水势能2个子模块。

1.2太阳能光伏技术在系统中的功能

在太阳能供电电源模块中，可通过2种方式利用太阳能光照强度自适应设备实现太阳能电池输出功率的提高，即太阳能电池板自动调整朝向，跟踪太阳直射角；利用电源主回路前端控制电路和模糊控制算法实现对太阳能电池板最大输出功率点的跟踪（MPPT）。为满足系统中其他不同负载设备的供电需求，还须设计直流降压模块，通过控制降压电路实现多个电压等级的电流输出[1]。

在太阳能田间智能化灌溉（水泵提水）模块中，智能化灌溉控制模块的主要功能是通过土壤温湿度传感器等设备检测土壤含水率，根据检测到的土壤含水率数据对灌溉阈值进行系统判断，并通过继电控制器对田间的电磁阀进行开启或闭合控制，实现对田间作物的自动、半自动精准灌溉。储蓄水势能（水泵提水）功能模块是将太阳能供电电源设备输出的电能通过水泵运行转化为水的势能并储存，当太阳能供电电源功率达不到要求时，智能化灌溉系统直接取用储水水塔的水对田间作物进行灌溉。

2太阳能光伏技术在系统中的设计实现

2.1太阳能供电电源模块设计

智能化灌溉系统的检测、灌溉、传输、控制等设备均离不开电源，因此太阳能供电电源的应用对整个系统的运行具有重要作用。系统设计中采用离网独立光伏发电系统作为太阳能供电电源的基础，通过2种方式提高太阳能供电电源的输出效率，即电源主回路前级电路和控制算法、杆影式及间歇自动跟踪系统，且电源主回路为系统提供多种负载的直流电源。

2.1.1太阳能供电电源模块总结构太阳能供电电源模块的总结构见图1。基于太阳能光伏技术的农田智能化灌溉系统，当太阳光辐射强且土壤含水率低时，进行田间灌溉；当太阳光辐射弱且土壤含水率相对较低或相对较高时，进行少量灌溉或不灌溉。在太阳能供电电源的设计中，改变以往使用蓄电池储能的思路，改为采用水泵提水，将电能转化为水势能进行存储。该方法不仅减少了项目实施过程中蓄电池购买、维护开销的大量费用，还能避免废弃或损坏的蓄电池分解可能对环境造成的污染。太阳能供电电源模块还须提高太阳能电池板的输出功率并输出稳定直流，同时实现太阳能电池板最大输出功率点跟踪（MPPT）。前者可通过设计中应用的太阳光照度自适应设备以保持太阳能板始终正对太阳直射角来实现，后者可通过电源主回路中的直流斩波电路来实现。

2.1.2太阳光照强度自适应设备模块为使太阳能供电电源受到的光照效果最强，设计中采用太阳光照度自适应设备，使太阳能板时刻保持在太阳光直射角的位置。为达到自适应的要求，设计中借鉴了一种新型杆影式自动跟踪系统，其基本工作原理为：利用太阳光线照射直杆所产生的影子遮挡检测盘上的光敏电阻，从而对太阳位置进行定位；设计双轴电机以实现横向和纵向转动，进一步促使太阳能板正对太阳直射角，从而使太阳光照直射太阳能板[1]。

2.1.3电源主回路模块电源主回路模块的设计主要用于解决2个方面的问题，即太阳能板产生不稳定直流电能，以及智能化灌溉系统中各功能子模块、设备控制电机等需要稳定电压等级多样的直流电源。其基本工作原理为：电源主回路中太阳能电池板最大功率输出点跟踪（MPPT）功能，以及将不稳定的输出电压转换为稳定输出的24 V直流电功能均通过直流斩波电路实现。当电源主回路稳定输出24 V直流电后，再通过降压模块控制各直流降压装置，从而为系统电路提供5、12、24 V等不同电压等级的稳定直流电。当系统接入逆变器时，还可满足因其他应用交互而需要交流电的情况，并能达到多种交流负载用电要求。

2.1.4电源控制模块电源控制模块由电压及电流检测、主回路控制2个部分组成，可为系统工作状态提供选择依据，反映太阳能供电电源输出和负载端的功率状态；同时，还可驱动直流斩波电路的功率管进行PWM控制、降压模块控制。

2.2太阳能田间智能化灌溉模块设计

太阳能田间智能化灌溉模块采用模糊控制灌溉策略，并以储蓄水势能的设计思路代替了传统的蓄电池储能思路。其工作运行主要包括智能化灌溉控制模块、储蓄水势能模块2个子模块。

2.2.1智能化灌溉模块的工作模式及结构智能化灌溉控制模块的工作过程分为太阳光辐射强度较强、较弱2种基本状态。当太阳光辐射强度较强，且土壤含水率低于系统设置的灌溉阈值时，经过模糊控制判断，电磁阀开启进行灌溉；太阳能电池发电剩余的电能还可通过水泵转换为水势能进行存储，而不采用传统的蓄电池存储方式。当太阳光辐射强度较强，而土壤含水率高于系统设置的灌溉阈值时，经过模糊控制判断，电磁阀关闭，不进行灌溉；此时太阳能电池的发电电能通过水泵转换为水势能进行存储。当太阳光辐射强度较弱，且土壤含水率低于系统设置的灌溉阈值时，由于太阳能供电电源输出功率小于水泵运行所需要的功率，无法驱动水泵运行，此时仅用蓄水池中的储水进行基本灌溉。当太阳光辐射强度较弱，且土壤含水率高于系统灌溉阈值时，既不启动电磁阀，也不驱动水泵运转将电能转换为水势能存储。智能化灌溉模块的基本结构见图2、图3。

2.2.2智能化灌溉子模块智能化灌溉子模块由灌溉控制策略、灌溉控制电路、灌溉管网组成。灌溉控制策略的基本依据是模糊控制算法，灌溉控制电路则主要由传感器电路部分、模糊继电控制器、驱动电路组成[2]。智能化灌溉子模块的工作过程为：土壤温湿度传感器对土壤水分值进行检测，并将检测数据传输至模糊控制主机中；控制主机经过模糊分析及判断，结合当时的太阳能供电电源输出功率值，得到精准灌溉策略，并将灌溉指令通过模糊继电控制器及驱动电路传输给田间灌溉设备（电磁阀），进行田间智能化灌溉。

2.2.3储蓄水势能子模块储蓄水势能子模块主要由直流供电的水泵、存储水源的水塔、水位传感器组成。水塔的主要作用是以水势能代替蓄电池储能，在太阳光照度充足时，将太阳能供电电源工作中剩余的电能通过水泵转化为水势能进行存储；在太阳光照度不足，田间又需要少量灌水时，采用水塔中的水进行灌溉。

3太阳能供电电源模块软件设计

太阳能电源模块对2块电池进行电压检测，当放电电池的电压低于设定伏值时进行电池切换，对放电电池进行充电，对充电电池进行放电。程序流程见图4。

4试验研究与结果分析

试验主要针对2个方面内容进行分析测试，即太阳能供电电源模块的发电能力、系统主要负载（水泵提水）能力。同时，通过测量太阳能输出端参数，检验太阳能供电电源的输出功率和系统主要负载（水泵）的抽水性能。

4.1试验方法

设计A、B 2组不同状态的太阳能电池板，A组带太阳能光照强度自适应设备，B组则将太阳能电池板朝南35°摆放。将这2组电池板与试验平台、电流表、万用表、相同型号的负载水泵进行连接。准备2台水泵、4个大小相同的水桶。将其中2个水桶装入等量的水，水位高度一致，作为A、B 2组不同状态试验的水源。将2台水泵的进水水管端分别接入2个水桶中，并将出水水管端接入2个未装水的水桶中，作为水泵出水口水桶。分别为A、B 2组试验装置接通电源使水泵运行，记录万用表等设备的读数。采用量筒测量2个出水端水桶的需水量，测量时间间隔为1 h，即每个整点测量1次，并记录数据。试验于广西壮族自治区崇左市夏季常态天气下某天的08：00—18：00进行。

4.2试验结果

试验所得数据见表1。

4.3试验结果分析

功率-时间曲线反映了太阳能电池板在工作过程中的实际功率输出效率。由图5、表1可知，A组试验装置的输出功率大于B组。在08：00—10：00，天气晴朗，太阳光照度较强，A、B 2组的曲线均呈上升趋势，且A组的上升速度比B组快。在10：00—13：00，天气呈晴转多云并维持在多云状态，云层遮蔽致使太阳光照度较弱，A、B 2组曲线波动均较大，B组水泵停止运行，太阳能电池板无输出功率，而A组仍有较低的功率输出。在13：00—15：00，下雨导致太阳光照辐射强度很弱，2组水泵均停止运行，故2组试验装置均无输出功率。在14：00—15：00，雨势逐渐变小，天气放晴，太阳光照辐射强度增加，2组水泵均开始运行，2组输出功率均明显回升。在15：00—18：00，2组光照强度及输出功率均开始下降，由于太阳光照辐射明显减弱，B组输出功率于16：00之后显著下降，且18：00之后无输出功率；由于MPPT功能和太阳光照度自适应设备的作用，A组输出功率下降趋势缓慢，并在天黑后维持较长时间。

由流量-时间曲线（图6）可知，A组的流量明显大于B组。

A组采用了MPPT功能和太阳光照度自适应设备，使A组水泵能够充分利用太阳能电池的发电能力。根据公式：功率=电压×电流，可知A组输出功率较大且持续时间长。B组未采用上述2项功能，水泵的额定电压（24.0 V）远低于太阳能电池板的最大工作电压（37.7 V），致使太阳能电池板的发电能力被浪费。大部分时间B组中太阳光线无法垂直射入太阳能电池板，输出电流相对较小，输出功率随之较小，且持续时间短。

试验结果表明，A组的输出总功率与B组相比明显提高，且A组的抽水效率高于B组，在复杂的天气状况下A组能够更加稳定地工作。

参考文献：

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