朱书启

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741000）

0 引言

农业灌溉是农业生产过程中不可或缺的环节，其能耗占农业生产总能耗的比重较大。传统农业灌溉方式主要依赖于燃油发电机组或市电进行驱动，这些方法往往伴随着高能耗、高排放和环境污染问题，在部分耕作地区，供电不便、供电成本过高等问题长期存在。因此，探索一种绿色、可持续的农业灌溉方式具有重要的现实意义和迫切性[1]。在寻求绿色、可持续的农业灌溉方法时，光伏发电凭借其清洁、可再生和绿色环保等优势成为理想的能源选择。光伏发电是利用太阳能电池板将太阳能转化为电能的过程，不仅能源取之不尽、用之不竭，而且在发电过程中几乎没有污染物排放，是一种真正的绿色能源[2]。

为充分利用光伏发电的优势，本文提出了一种基于光伏驱动的串联直流水泵灌溉系统。为验证该系统的可行性，实验通过20个动力单元的串联，实现对高位置农田的灌溉。每个动力单元包括一个光伏板和一个直流水泵，光伏板为水泵提供能源，能够在阳光的充足照射下产生直流电，为水泵提供动力，将低处的水源逐级提升至高位置的农田。这种串联方式充分利用了太阳能，节省了能源消耗，减少了碳排放，有利于环境保护。为方便农民操作和管理，本文设计了一个手机远程控制模块，用户可以通过手机远程启动和停止灌溉系统，并实时查看系统的运行状态、故障信息等。此外，本系统还具有故障检测和保护功能，当系统出现异常情况时，可以自动进行故障诊断并采取相应措施，保证系统的稳定运行。

在实际应用中，该系统还可以根据不同地区的气候、地形和农田需求进行定制和优化。例如，针对阳光资源丰富的地区，可以增加光伏板的面积以获得更多的发电量；针对地势较为复杂的地区，可以调整水泵的扬程和动力单元的数量以满足不同高度农田的灌溉需求。通过这些优化措施，可以进一步提高系统的适应性和灵活性，满足不同农田的灌溉需求。值得注意的是，随着科技的进步，未来光伏板的转换效率和水泵的工作效率有望进一步提高。这将使得基于光伏驱动的串联直流水泵灌溉系统在性能上更加优越，为农业节能减排提供更多可能。同时，随着物联网、大数据和人工智能等技术的不断发展，未来农业灌溉系统还可以实现更智能、更精准的控制，提高农业生产效率和资源利用效率。

本文提出的基于光伏驱动的串联直流水泵灌溉系统，为解决高地势农田的水资源利用问题提供了一种新的解决方案。该系统不仅具有节能、环保的优点，还可以通过手机远程控制进行方便的操作和管理，具有较强的实际应用价值。随着相关技术的不断发展和优化，这种绿色、可持续的农业灌溉方式将在未来的农业生产中发挥越来越重要的作用，为应对全球气候变化和能源危机提供有效途径[3]。

1 系统设计与原理

1.1 系统组成

1）光伏板：负责将太阳能转化为电能，为直流水泵提供能源。通常采用硅基太阳能电池板，具有较高的转换效率和稳定性。

2）直流水泵：负责将低位水源抽取提升至高位农田。直流水泵的优点是效率高、噪声小、使用寿命长，适合远程控制。

3）单向阀：安装在每个水泵的出水口，用于防止水流回流，确保水流单向流动。

4）控制模块：负责实现系统的启动、停止、故障检测和保护功能，包括光伏发电量检测、水泵工作状态监测、故障诊断等。

5）通信模块：用于实现手机远程控制和监控功能。采用无线通信技术（如GSM、4G、5G等）连接互联网，实现远程操作和实时数据传输。

6）水管和连接件：用于连接各个动力单元，将低位水源逐级提升至高位农田。本研究实验采用内径为2英寸的水管。

1.2 工作原理

系统通过光伏板发电驱动直流水泵，采用串联方式实现低位水源逐级提升，满足高位置农田的灌溉需求。同时，系统具有手机远程控制和故障保护功能，便于操作和管理。这种创新的农业灌溉方式有助于降低能耗、减少碳排放，推动农业生产向更加绿色、可持续的方向发展[4]。

1）光伏发电：当太阳光照射到光伏板上时，光伏板将光能转化为电能。光伏板的发电量取决于光照强度、转换效率和面积。在晴天，光照强度通常为1 000 W/m2。通过计算，可以得到光伏板的发电量，并根据水泵的功率需求进行匹配[5]。

2）直流水泵驱动：光伏板发电产生的直流电流直接驱动直流水泵工作。水泵将低位水源抽取并提升至下一个动力单元，实现水源的逐级提升。为保证系统效率，需根据实际需求选择合适的水泵类型和参数。

3）串联方式：系统采用串联方式将多个动力单元连接起来，每个动力单元由一个光伏板、一个直流水泵和一个单向阀组成。通过水管和连接件，将各个动力单元的出水口串联起来，形成一个连续的水流路径，实现低位水源逐级提升至高位农田。串联方式的优势在于系统可以灵活地根据地形和农田高度进行调整，便于适应不同农业生产环境。

4）单向阀控制：在每个动力单元的水泵出水口安装单向阀，防止水流回流。单向阀的作用是确保水流在整个系统中始终保持单向流动，提高系统的运行稳定性和效率。

5）控制与保护：控制模块负责实现系统的启动、停止、故障检测和保护功能。通过检测光伏板发电量、水泵工作状态等参数，实现对系统的实时监控和智能控制。当系统出现故障时，控制模块可以自动进行故障诊断并采取相应措施，如暂停所有动力单元的工作，确保系统安全稳定运行[6]。

6）远程控制与监控：通信模块将系统连接到互联网，实现手机远程控制和监控功能。用户可以通过手机应用程序随时随地启动、停止系统，查看实时数据，监控系统运行状态。这种远程控制方式大大提高了系统的便捷性和实用性，为农业生产提供了更加智能化的解决方案[7]。

2 关键技术

2.1 水泵的选型

首先，确定末端出水量和扬程要求，在本案例中，末端出水量要求为5 t/h，总水头H可表示为20个驱动单元之间的垂直高度h之和，单位为m。

其次，计算所需的水泵功率。根据给定的水泵效率（假设为70%），可以使用以下公式计算所需的水泵功率：

最后，选择一个具有所需扬程和流量性能参数的直流水泵。根据计算出的水泵功率，查找市场上可用的水泵产品，选择一个能满足要求的水泵。在选择水泵时，应关注其性能曲线图，确保在给定的扬程和流量条件下，水泵能够正常工作。

2.2 光伏板选型与匹配

根据水泵的功率需求，选择合适的光伏板以提供足够的电能。考虑光伏板的转换效率、容量、尺寸等因素，确保在不同光照条件下均能满足系统的能源需求。光伏板的匹配需要考虑系统功率损耗、水泵效率、光伏板效率等因素。

光伏板的功率需与水泵的功率匹配，以确保系统在正常光照强度下（假设为1 000 W/m2）能够满足水泵的驱动需求。计算光伏板的面积和功率，可以根据光伏板的转换效率（假设为20%）进行计算：

2.3 垂直高度的确定

为确保水泵具备足够的扬程将水源输送至所需高度，需要将水泵的扬程与每个驱动单元之间的垂直高度进行匹配。在本系统中，共有20个驱动单元串联，因此需要仔细评估每个单元之间的垂直高度以达到理想的灌溉效果。

1）确定每个驱动单元之间的垂直高度。需要根据实际的地形和灌溉区域的高度差来确定每个驱动单元之间的垂直高度h，可以利用地形测量仪器或高程数据来获取精确的高度差信息。

2）计算总水头。在确定了每个驱动单元之间的垂直高度h后，可以计算整个系统所需的总水头H。由于共有20个驱动单元串联，总水头H可以表示为：

3）水泵扬程与垂直高度匹配。在选定了水泵后，应确认其扬程是否满足整个系统所需的总水头H。一般来说，水泵的额定扬程应略高于计算出的总水头H，以保证水泵在实际运行过程中能够有效地将水提升至所需高度。

4）考虑流体阻力损失。在实际运行过程中，流体在管道中的流动会产生阻力损失，导致实际扬程低于理论扬程。因此，在选型过程中，还需为水泵的扬程留有一定的余量，以补偿流体阻力损失。具体的余量取决于管道长度、管道材质、管道内径等因素。

2.4 异常状态处理

本系统在运行的过程中，会出现云朵遮挡、机械故障等情况，为保证系统安全，各单元之间通过水压进行状态信息传递的具体控制过程如下：

1）水压监测。为实现各驱动单元之间的水压状态信息传递，每个单元需要安装一个水压传感器，用以监测水压。水压传感器将实时采集水压数据，并将数据传输至嵌入式控制器。

2）数据处理与判断。嵌入式控制器接收到来自各个水压传感器的数据后，将对数据进行处理和判断。控制器需要设定合理的水压上限值和下限值，用以判断各驱动单元的运行状态。当某个单元的水压高于上限值时，说明后一级单元的动力不足，需要等待其恢复动力；当某个单元的水压低于下限值时，说明前一级单元的水供应不足，需减缓水泵的工作速度。

3）控制命令下发。控制器根据判断结果，对各驱动单元下发相应的控制命令。若某个单元的水压高于上限值，则控制器会向所有水泵发送停止工作命令，让它们进入等待状态。同时，控制器会监控后一级单元的恢复情况，一旦恢复正常，将重新启动所有水泵[8]。

4）恢复监测。在等待过程中，控制器需要实时监测各驱动单元的水压状态。当所有单元的水压都处于正常范围内时，说明系统已恢复正常运行状态。此时，控制器会向所有水泵发送启动命令，恢复正常工作。

5）故障处理与通知。若某个驱动单元的水压长时间无法恢复至正常范围内，控制器将判断其为故障状态。此时，除了对其他水泵执行暂停操作外，控制器还需要将故障信息上传至云端服务器，并通过服务器将故障通知发送至用户的手机应用程序，以便用户及时处理。

2.5 远程控制

当用户在手机应用程序上发出控制命令（如启动、停止、调整灌溉模式等）时，命令会通过云端服务器发送到嵌入式控制系统。控制系统收到命令后，首先对命令进行解析，然后根据命令内容对水泵进行相应的控制操作。

以启动命令为例，当嵌入式控制系统收到启动命令后，会逐个启动各个驱动单元的直流水泵。首先启动第一个驱动单元，当其水压稳定后，再依次启动后续的驱动单元。在启动过程中，控制系统会实时监测各驱动单元的水压，确保水泵按照预定的工作模式正常运行。同时，嵌入式控制系统会将水泵的运行状态信息上传至云端服务器，并通过手机应用程序实时展示给用户[7]。

对于停止命令，嵌入式控制系统会逐个关闭各个驱动单元的直流水泵，并在关闭过程中监测各驱动单元的水压，确保水泵安全停止。同样的，停止过程中水泵的状态信息也会实时上传至云端服务器，并通过手机应用程序展示给用户。

通过以上控制命令的下发过程，用户可以利用手机应用程序方便地实现对基于光伏驱动的串联直流水泵灌溉系统的远程控制。这样的设计提高了系统的操作便利性和实时性，有利于提高农业生产效率，降低维护成本[9-11]。

3 总结

本文所提出的基于光伏驱动的串联直流水泵灌溉系统设计方案具有较高的实际应用价值，对于推动农业生产的绿色发展、提高能源利用效率以及减轻环境压力具有积极意义。

1）利用光伏板作为能源驱动直流水泵工作，能够实现绿色、可持续的农业灌溉，减少对燃油发电机组或市电的依赖，降低能源消耗，减少环境污染。

2）采用串联的方式将低位水源逐级提升，对高位置农田进行灌溉，实现了水泵性能的最大化利用，提高了系统的灌溉效率。

3）设计了一套检测及控制模块，实现了对水泵、光伏板等关键部件的实时监测，当某个驱动单元出现故障时，系统能够及时检测并暂停所有单元的工作，确保系统的安全运行。

4）通过SIM卡和云端服务器，实现了手机远程控制整个系统工作的开始与停止，提高了系统的操作便利性和实时性，有利于提高农业生产效率，降低维护成本。

5）通过各驱动单元之间的水压状态信息传递，实现了对系统状态的监测和控制，能够确保系统在各级水压正常范围内稳定运行。