摘要：将光伏发电技术与物联网思维结合起来，应用于农田智能化灌溉系统，利用太阳能光伏技术实现绿色灌溉。本文采用的追日式智能光伏系统与普通的太阳能电池板相比，具有太阳光照自动跟踪设备、最大输出功率点跟踪设备，太阳能电池板的总输出功率效率明显提高，使负载的水泵抽水效率提高，且功率输出稳定、持续时间长。将农田数据采集系统与物联网管理系统与智能光伏系统结合在一起，探索农田灌溉管理的绿色化、智能化、精准化。
关键词：智能化；光伏发电；农业灌溉
引言
目前世界各国都是在大量消耗化石资源为代价的基础上实现经济的飞速发展，这导致了全球自然资源短缺、生态环境恶化、水资源污染严重等问题。解决上述问题需要我们人类发展利用各种绿色能源，例如太阳能就是其中应用得比较好的一类绿色能源，人们利用逆变器将太阳能转变为电能来使用已推广数年。我国农田灌溉系统也严重依赖传统能源作为提水动力，为改变这一情况，本文基于物联网思维将智能光伏与灌溉水泵系统结合在一起，利用现代先进的科学技术，将灌溉系统智能化，绿色化，在无人灌溉、节能灌溉、智能灌溉方面做尝试和努力。
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发挥
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，再设计直流降压模块，通过控制降压电路实现多个电压等级的电流输出。
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。
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2 系统设计
2.1 光伏水泵模块设计
供电系统的电能来源于追日式太阳能电池板，将电池板置于采光集中的地点，使其能更好的利用太阳能，得到的太阳能一部分储存于蓄电池中，蓄电池中的电能可以在夜间为整套系统供电，其中包括对控制中枢当中的各种计算与处理系统，各种终端控制开关。夜间供电能使系统全天工作，保障对农田的灌溉与管理。得到的另一部分电能通过逆变系统将直流电转化为交流电供三相异步电动机使用。而三相异步电动机又为水泵提供动力，将地下水提升至水塔中，水塔具有一定的高度，因而水塔中的水具有一定的重力势能，能为后面与营养液的混合提供一部分能量。
2.2 营养灌溉模块设计
营养灌溉模块中的营养池中分为许多独立的空间用于存放不同农作物所需的营养物质，如氮肥、磷肥、钾肥等。每一个空间设置一个终端控制开关，能够根据人为来实现精确控制，能够根据植物的需要进行灌溉。混合池用于混合水塔中的水与营养池中的营养物质，混合池中可安装小型搅拌机来使其混合均匀供农田灌溉。混合均匀后的灌溉用水利用管道传输至农田，传输的管道在农田中形成网状结构，在每个结点处安装微喷灌装置，尽可能使农田得到全方位的灌溉。管道的材料应根据营养的成分来确定，避免损害管道。土壤采集模块包括许多不同的传感器，如土壤水分传感器、土壤湿度计、土壤墒情仪，能对土壤的多种数据进行测量，包括温度、湿度、pH值以及各种营养物质的含量等，将得到的数据传输至控制中枢，来实现对农田的有效灌溉。
2.3 物联网模块设计
物联网模块是由控制中枢、云端服务器、移动客户端、终端控制开关四部分组成的。首先，土壤传感器采集土壤的各方面信息，如湿度、CO2浓度、温度、PH值、微量元素含量等，土壤传感器定时将收集到的信息发送给控制中枢，控制中枢将一段时间内接受到的多种信息进行打包处理，发送给云端服务器。云端服务器工作人员处理分析接收到的数据，通过计算得到最优的灌溉方案（包括灌溉的水量、土壤所缺元素、土壤酸碱平衡等），最终将最优方案信息发送给移动客户端，实现农田的主人通过手机APP获取其农田的最新情况，并根据APP操作实现对农田的无人智能灌溉。农田主人选择云端服务器发送过来的最优方案后，控制中枢将接受该信息，并通过控制对应所需营养池的某种养料池开关与水塔的开关，两种液体在混合池中進行混合，得到做适合当前农田所需的灌溉液，然后启动喷灌电池阀将灌溉液以微喷灌的方式喷洒在农田中，实现较智能的科学无人灌溉。
结语
太阳能光伏灌溉系统在设计过程当中必须确保拥有相应的前瞻性。本文采用先进设计理念，选取可靠成熟的技术方法与中高端设备，将太阳能光伏发电系统、农田灌溉管理与物联网模块结合在一起，形成一套智能化光伏农田灌溉系统。结合目前农田灌溉现状以及绿色能源应用、智能化管理的大思潮，设计了集由太阳能供电电源模块、太阳能田间智能化灌溉（水泵提水）模块、土壤参数采集模块、物联网操作控制模块于一体的智能化光伏农田灌溉系统基本架构，希望能对目前农田灌溉系统做出一定的改善。
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论文作者:吴晓杰,俞佩琦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：太阳能论文; 光伏论文; 土壤论文; 农田论文; 系统论文; 模块论文; 农田灌溉论文; 《基层建设》2019年第1期论文;