光伏發(fā)電技術在農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)的應用探討

姚程

（重慶市璧山區(qū)水利局，重慶 402760）

0 引言

作為一個農(nóng)業(yè)大國，對水資源的需求量非常大。經(jīng)過調查研究發(fā)現(xiàn)，當前我國農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)存在效率低、耗能大等問題，而且當前的灌溉系統(tǒng)也不能根據(jù)農(nóng)作物的實際長勢調節(jié)水量進行精準噴灌，對水資源造成嚴重的浪費。為了解決這些問題，人們需要設計一種智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，既能夠保障水資源在農(nóng)業(yè)上得到有效利用，也能根據(jù)作物的長勢調節(jié)水量進行灌溉，避免對作物的生長造成不利的影響。

目前，農(nóng)業(yè)上常用的灌溉技術有溝灌技術、噴灌技術和滴灌技術。其中溝灌技術比較適合行距較寬的作用，但其該灌溉技術對于水資源的浪費十分嚴重；噴灌技術雖然能夠有效節(jié)約水資源，但是其需要耗費大量的人力和物力；滴灌技術能夠有效彌補溝灌以及噴灌技術的缺點，既能夠節(jié)約水資源，而且其自動化程度也比較高，不需要耗費大量的人力資源，但是滴灌的小孔非常容易堵塞，一旦發(fā)生堵塞就會影響整個灌溉系統(tǒng)。因此，人們需要設計更加完善的灌溉技術，即利用現(xiàn)代科學技術建立的智能化灌溉系統(tǒng)。太陽能作為一種清潔能源，其能夠很好地應用與農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)上，即光伏農(nóng)業(yè)?；诠夥l(fā)電技術建立的智能化灌溉技術對于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展具有十分重要的意義，其不僅能夠有效解決農(nóng)業(yè)灌溉中需要的能量，而且還具有多余的電量用來輸出，所以將光伏發(fā)電技術應用于農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)中，既可以做到對水資源的充分利用，而且能夠有效地節(jié)約水資源。鑒于此，本文就對光伏發(fā)電技術在農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)中的應用進行深入的研究。

1 光伏發(fā)電技術在農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)中的應用和功能介紹

1.1 光伏發(fā)電技術在智能化灌溉系統(tǒng)中的應用

現(xiàn)階段在農(nóng)業(yè)領域的智能化灌溉中依托光伏發(fā)電技術而進行的應用主要涵蓋太陽能的供能以及太陽能在農(nóng)田中的智能化灌溉兩個方面，下面將對應兩者進行簡要的介紹。對于太陽能供能板塊而言，其主要由光強的自適應設備、完整的電源回路以及功能完備的電源控制開關三個子模塊組成，具體來說這一功能板塊的應用就是為整個智能化灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供強有力的電源保障；而對于基于太陽能的智能灌溉系統(tǒng)而言，可以根據(jù)功能性的差異將其劃分為水勢能的儲蓄和智能灌溉兩方面的應用，其功能主要是依據(jù)太陽的光照強度、土壤中的保水量以及所處環(huán)境的溫度變化等多重因素對農(nóng)田中作物的生長狀態(tài)進行判斷，同時根據(jù)作物的生長狀態(tài)來調節(jié)灌溉的水量，從而能夠在節(jié)約水資源的前提下實現(xiàn)精準的水資源分配灌溉。光伏發(fā)電技術在智能化灌溉系統(tǒng)的應用如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電技術在智能化灌溉系統(tǒng)的應用

1.2 光伏發(fā)電技術在系統(tǒng)中的功能發(fā)揮

在太陽能供電電源模塊中，可以借助多種手段在光強自適應裝置的基礎上盡可能地提高電源的輸出功率，例如，我們可以通過調節(jié)太陽能板的角度來找到太陽的直射角，從而讓太陽能板獲得最高的輸出功率；還可以在電源回路中借助其中的控制電路等對電池板中的最大功率點進行調整和追蹤。而在基于太陽能的智能灌溉系統(tǒng)中，其功能主要是利用相關的設備對土壤的含水量以及溫度進行測定，然后通過系統(tǒng)中反饋獲取的信息數(shù)據(jù)進行智能化分析，最終判斷某一區(qū)域農(nóng)田中的灌溉閾值。與傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)相比，該智能化灌溉系統(tǒng)利用大量的現(xiàn)代技術，不僅能夠有效節(jié)約水資源，而且也能夠節(jié)約人力資源，在一定程度上降低農(nóng)作物的種植成本。

2 基于光伏發(fā)電技術的農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)的設計

2.1 光伏水泵模塊的設計

在農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)中其主要的能源供應來源是能夠自動追蹤太陽光的太陽能光板，通常情況下我們?yōu)榱吮M可能多地獲取太陽能然后將其轉化為所需的電能供給智能灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。需要注意的是，通過太陽能板所獲取的能量需要劃分為兩部分，其中絕大多數(shù)能量需要儲存在蓄電池當中維持整個系統(tǒng)的電量供應，同時還需要對系統(tǒng)中的各類控制開關提供電能，而所獲取的另一部分能量則需要在系統(tǒng)中經(jīng)過逆變后變?yōu)榻涣麟?，從而為三相異步電機的穩(wěn)定運行提供能量。

2.2 營養(yǎng)灌溉模塊的設計

營養(yǎng)灌溉模塊中的營養(yǎng)池包含多個獨立的小空間，每個小的營養(yǎng)池中多存放不同的營養(yǎng)液，用于供給不同的農(nóng)作物，例如氮肥、磷肥以及鉀肥等等。在對營養(yǎng)灌溉模塊進行設計時，每一個獨立的空間都需要設置一個終端控制開關，并能夠通過人為操作進行控制，能夠結合作物的生長狀態(tài)和生長需求進行灌溉。混合池主要是用來混合水塔中的水以及營養(yǎng)池中的營養(yǎng)物質，為了能夠充分混合水與養(yǎng)料，可以在混合池中安裝小型的攪拌機。混合均勻后的灌溉用水可以通過管道直接運送到農(nóng)田中，其中傳輸管道在農(nóng)田中要呈網(wǎng)狀分布，并在每個管道的節(jié)點處安裝微噴灌裝置，盡可能確保農(nóng)田能夠得到全方位的灌溉。同時需要注意的是，管道的材料應當由營養(yǎng)物質中的成分來確定，一些管道的材料可能會與營養(yǎng)物質中的成分發(fā)生化學反映，不僅會對管道造成一定的損失，而且還可能會影響營養(yǎng)物質的效果，因此，在對該模塊進行設計時相關的設計人員需要特別注意這一點。另外，土壤采集模塊包括許多不同的傳感器，例如土壤水分傳感器、土壤濕度計、土壤墑情儀等，這些設備能夠對土壤中的多種參數(shù)進行檢測，包括溫度、濕度、pH以及其中所含的營養(yǎng)物質等，將得到的有關數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦袠?，并對其進行分析處理，同時結合農(nóng)作物的生長狀態(tài)對其進行有效灌溉。灌溉系統(tǒng)的性能測試如表1所示。

表1 灌溉系統(tǒng)性能測試結果

2.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊的設計

物聯(lián)網(wǎng)模塊是由控制中樞、云端服務器、移動客戶端以及終端控制開關四個部分組成。首先，土壤傳感器能夠采集土壤的各項信息，例如溫度、濕度、pH以及其中所含的微量元素等，土壤傳感器會定期將收集到的信息發(fā)送給控制中樞，控制中樞會將一段時間內收集到的多項信息進行打包處理，并發(fā)送給云端服務器。同時，云端服務器的工作人員會對接收到的信息進行處理分析，通過計算得到最佳的灌溉方案，即包括灌溉的作物所需的灌溉水量、營養(yǎng)元素等，最終將得到的最佳方案傳送給移動客戶端，這時農(nóng)田的負責人員就會通過手機上的相關軟件得到農(nóng)作物的基本信息，并通過軟件操作實現(xiàn)對農(nóng)田的智能化灌溉，當農(nóng)田負責人選擇遠端服務器發(fā)送過來的最優(yōu)方案后，控制中樞會接受該信息，并通過控制對所需營養(yǎng)池的某種養(yǎng)料池開關以及水塔開關，實現(xiàn)兩種液體的混合，進而得到當前農(nóng)作物所需要的灌溉液，然后啟動噴灌電池閥將灌溉液以微噴灌的方式噴灑在農(nóng)田中，最終實現(xiàn)智能化的無人灌溉。通過上述的闡述可知，基于光伏發(fā)電技術的農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)只需要人們在手機軟件上進行操作，很少會應用到人力資源，而且該系統(tǒng)的相關設備會對農(nóng)田中的土壤信息以及作物生長的最新情況進行分析處理，不僅可以節(jié)約大量的人力，而且該灌溉系統(tǒng)對農(nóng)作物的成長也是十分有益的，因此，該農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)能夠有效推動我國農(nóng)業(yè)的整體發(fā)展。光伏智能化灌溉系統(tǒng)的總體示意圖如圖2所示。

圖2 光伏智能化灌溉系統(tǒng)的總體

3 結語

總而言之，農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)可以利用光伏發(fā)電裝置為系統(tǒng)提供電能，利用相應的傳感器獲得土壤的相關信息以及作物生長環(huán)境的有關信息。與傳統(tǒng)的灌溉方式相比，該灌溉系統(tǒng)做到了既可以節(jié)約電能和水資源，又能夠根據(jù)作物的生長所需自動提供水源和養(yǎng)料，達到灌溉系統(tǒng)的設計要求，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常廣泛的應用前景。