基于光伏驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)直流水泵灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

朱書啟

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

0 引言

農(nóng)業(yè)灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，其能耗占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總能耗的比重較大。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式主要依賴于燃油發(fā)電機(jī)組或市電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這些方法往往伴隨著高能耗、高排放和環(huán)境污染問題，在部分耕作地區(qū)，供電不便、供電成本過高等問題長(zhǎng)期存在。因此，探索一種綠色、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)灌溉方式具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和迫切性[1]。在尋求綠色、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)灌溉方法時(shí)，光伏發(fā)電憑借其清潔、可再生和綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)成為理想的能源選擇。光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程，不僅能源取之不盡、用之不竭，而且在發(fā)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(fā)電的優(yōu)勢(shì)，本文提出了一種基于光伏驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)直流水泵灌溉系統(tǒng)。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性，實(shí)驗(yàn)通過20個(gè)動(dòng)力單元的串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高位置農(nóng)田的灌溉。每個(gè)動(dòng)力單元包括一個(gè)光伏板和一個(gè)直流水泵，光伏板為水泵提供能源，能夠在陽(yáng)光的充足照射下產(chǎn)生直流電，為水泵提供動(dòng)力，將低處的水源逐級(jí)提升至高位置的農(nóng)田。這種串聯(lián)方式充分利用了太陽(yáng)能，節(jié)省了能源消耗，減少了碳排放，有利于環(huán)境保護(hù)。為方便農(nóng)民操作和管理，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)手機(jī)遠(yuǎn)程控制模塊，用戶可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止灌溉系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等。此外，本系統(tǒng)還具有故障檢測(cè)和保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以自動(dòng)進(jìn)行故障診斷并采取相應(yīng)措施，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)還可以根據(jù)不同地區(qū)的氣候、地形和農(nóng)田需求進(jìn)行定制和優(yōu)化。例如，針對(duì)陽(yáng)光資源豐富的地區(qū)，可以增加光伏板的面積以獲得更多的發(fā)電量；針對(duì)地勢(shì)較為復(fù)雜的地區(qū)，可以調(diào)整水泵的揚(yáng)程和動(dòng)力單元的數(shù)量以滿足不同高度農(nóng)田的灌溉需求。通過這些優(yōu)化措施，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性，滿足不同農(nóng)田的灌溉需求。值得注意的是，隨著科技的進(jìn)步，未來(lái)光伏板的轉(zhuǎn)換效率和水泵的工作效率有望進(jìn)一步提高。這將使得基于光伏驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)直流水泵灌溉系統(tǒng)在性能上更加優(yōu)越，為農(nóng)業(yè)節(jié)能減排提供更多可能。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)更智能、更精準(zhǔn)的控制，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和資源利用效率。

本文提出的基于光伏驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)直流水泵灌溉系統(tǒng)，為解決高地勢(shì)農(nóng)田的水資源利用問題提供了一種新的解決方案。該系統(tǒng)不僅具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，還可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制進(jìn)行方便的操作和管理，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和優(yōu)化，這種綠色、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)灌溉方式將在未來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，為應(yīng)對(duì)全球氣候變化和能源危機(jī)提供有效途徑[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理

1.1 系統(tǒng)組成

1）光伏板：負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，為直流水泵提供能源。通常采用硅基太陽(yáng)能電池板，具有較高的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

2）直流水泵：負(fù)責(zé)將低位水源抽取提升至高位農(nóng)田。直流水泵的優(yōu)點(diǎn)是效率高、噪聲小、使用壽命長(zhǎng)，適合遠(yuǎn)程控制。

3）單向閥：安裝在每個(gè)水泵的出水口，用于防止水流回流，確保水流單向流動(dòng)。

4）控制模塊：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、故障檢測(cè)和保護(hù)功能，包括光伏發(fā)電量檢測(cè)、水泵工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷等。

5）通信模塊：用于實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控功能。采用無(wú)線通信技術(shù)（如GSM、4G、5G等）連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

6）水管和連接件：用于連接各個(gè)動(dòng)力單元，將低位水源逐級(jí)提升至高位農(nóng)田。本研究實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為2英寸的水管。

1.2 工作原理

系統(tǒng)通過光伏板發(fā)電驅(qū)動(dòng)直流水泵，采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)低位水源逐級(jí)提升，滿足高位置農(nóng)田的灌溉需求。同時(shí)，系統(tǒng)具有手機(jī)遠(yuǎn)程控制和故障保護(hù)功能，便于操作和管理。這種創(chuàng)新的農(nóng)業(yè)灌溉方式有助于降低能耗、減少碳排放，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向更加綠色、可持續(xù)的方向發(fā)展[4]。

1）光伏發(fā)電：當(dāng)太陽(yáng)光照射到光伏板上時(shí)，光伏板將光能轉(zhuǎn)化為電能。光伏板的發(fā)電量取決于光照強(qiáng)度、轉(zhuǎn)換效率和面積。在晴天，光照強(qiáng)度通常為1 000 W/m2。通過計(jì)算，可以得到光伏板的發(fā)電量，并根據(jù)水泵的功率需求進(jìn)行匹配[5]。

2）直流水泵驅(qū)動(dòng)：光伏板發(fā)電產(chǎn)生的直流電流直接驅(qū)動(dòng)直流水泵工作。水泵將低位水源抽取并提升至下一個(gè)動(dòng)力單元，實(shí)現(xiàn)水源的逐級(jí)提升。為保證系統(tǒng)效率，需根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的水泵類型和參數(shù)。

3）串聯(lián)方式：系統(tǒng)采用串聯(lián)方式將多個(gè)動(dòng)力單元連接起來(lái)，每個(gè)動(dòng)力單元由一個(gè)光伏板、一個(gè)直流水泵和一個(gè)單向閥組成。通過水管和連接件，將各個(gè)動(dòng)力單元的出水口串聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)連續(xù)的水流路徑，實(shí)現(xiàn)低位水源逐級(jí)提升至高位農(nóng)田。串聯(lián)方式的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)可以靈活地根據(jù)地形和農(nóng)田高度進(jìn)行調(diào)整，便于適應(yīng)不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。

4）單向閥控制：在每個(gè)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)中始終保持單向流動(dòng)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和效率。

5）控制與保護(hù)：控制模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、故障檢測(cè)和保護(hù)功能。通過檢測(cè)光伏板發(fā)電量、水泵工作狀態(tài)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能控制。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制模塊可以自動(dòng)進(jìn)行故障診斷并采取相應(yīng)措施，如暫停所有動(dòng)力單元的工作，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

6）遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控：通信模塊將系統(tǒng)連接到互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控功能。用戶可以通過手機(jī)應(yīng)用程序隨時(shí)隨地啟動(dòng)、停止系統(tǒng)，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。這種遠(yuǎn)程控制方式大大提高了系統(tǒng)的便捷性和實(shí)用性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了更加智能化的解決方案[7]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水泵的選型

首先，確定末端出水量和揚(yáng)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(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間的垂直高度h之和，單位為m。

其次，計(jì)算所需的水泵功率。根據(jù)給定的水泵效率（假設(shè)為70%），可以使用以下公式計(jì)算所需的水泵功率：

最后，選擇一個(gè)具有所需揚(yáng)程和流量性能參數(shù)的直流水泵。根據(jù)計(jì)算出的水泵功率，查找市場(chǎng)上可用的水泵產(chǎn)品，選擇一個(gè)能滿足要求的水泵。在選擇水泵時(shí)，應(yīng)關(guān)注其性能曲線圖，確保在給定的揚(yáng)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(jù)水泵的功率需求，選擇合適的光伏板以提供足夠的電能?？紤]光伏板的轉(zhuǎn)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(tǒng)的能源需求。光伏板的匹配需要考慮系統(tǒng)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(tǒng)在正常光照強(qiáng)度下（假設(shè)為1 000 W/m2）能夠滿足水泵的驅(qū)動(dòng)需求。計(jì)算光伏板的面積和功率，可以根據(jù)光伏板的轉(zhuǎn)換效率（假設(shè)為20%）進(jìn)行計(jì)算：

2.3 垂直高度的確定

為確保水泵具備足夠的揚(yáng)程將水源輸送至所需高度，需要將水泵的揚(yáng)程與每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間的垂直高度進(jìn)行匹配。在本系統(tǒng)中，共有20個(gè)驅(qū)動(dòng)單元串聯(lián)，因此需要仔細(xì)評(píng)估每個(gè)單元之間的垂直高度以達(dá)到理想的灌溉效果。

1）確定每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間的垂直高度。需要根據(jù)實(shí)際的地形和灌溉區(qū)域的高度差來(lái)確定每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間的垂直高度h，可以利用地形測(cè)量?jī)x器或高程數(shù)據(jù)來(lái)獲取精確的高度差信息。

2）計(jì)算總水頭。在確定了每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間的垂直高度h后，可以計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)所需的總水頭H。由于共有20個(gè)驅(qū)動(dòng)單元串聯(lián)，總水頭H可以表示為：

3）水泵揚(yáng)程與垂直高度匹配。在選定了水泵后，應(yīng)確認(rèn)其揚(yáng)程是否滿足整個(gè)系統(tǒng)所需的總水頭H。一般來(lái)說，水泵的額定揚(yáng)程應(yīng)略高于計(jì)算出的總水頭H，以保證水泵在實(shí)際運(yùn)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(shí)際運(yùn)行過程中，流體在管道中的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生阻力損失，導(dǎo)致實(shí)際揚(yáng)程低于理論揚(yáng)程。因此，在選型過程中，還需為水泵的揚(yáng)程留有一定的余量，以補(bǔ)償流體阻力損失。具體的余量取決于管道長(zhǎng)度、管道材質(zhì)、管道內(nèi)徑等因素。

2.4 異常狀態(tài)處理

本系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，會(huì)出現(xiàn)云朵遮擋、機(jī)械故障等情況，為保證系統(tǒng)安全，各單元之間通過水壓進(jìn)行狀態(tài)信息傳遞的具體控制過程如下：

1）水壓監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)單元之間的水壓狀態(tài)信息傳遞，每個(gè)單元需要安裝一個(gè)水壓傳感器，用以監(jiān)測(cè)水壓。水壓傳感器將實(shí)時(shí)采集水壓數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式控制器。

2）數(shù)據(jù)處理與判斷。嵌入式控制器接收到來(lái)自各個(gè)水壓傳感器的數(shù)據(jù)后，將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷。控制器需要設(shè)定合理的水壓上限值和下限值，用以判斷各驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)某個(gè)單元的水壓高于上限值時(shí)，說明后一級(jí)單元的動(dòng)力不足，需要等待其恢復(fù)動(dòng)力；當(dāng)某個(gè)單元的水壓低于下限值時(shí)，說明前一級(jí)單元的水供應(yīng)不足，需減緩水泵的工作速度。

3）控制命令下發(fā)?？刂破鞲鶕?jù)判斷結(jié)果，對(duì)各驅(qū)動(dòng)單元下發(fā)相應(yīng)的控制命令。若某個(gè)單元的水壓高于上限值，則控制器會(huì)向所有水泵發(fā)送停止工作命令，讓它們進(jìn)入等待狀態(tài)。同時(shí)，控制器會(huì)監(jiān)控后一級(jí)單元的恢復(fù)情況，一旦恢復(fù)正常，將重新啟動(dòng)所有水泵[8]。

4）恢復(fù)監(jiān)測(cè)。在等待過程中，控制器需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各驅(qū)動(dòng)單元的水壓狀態(tài)。當(dāng)所有單元的水壓都處于正常范圍內(nèi)時(shí)，說明系統(tǒng)已恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，控制器會(huì)向所有水泵發(fā)送啟動(dòng)命令，恢復(fù)正常工作。

5）故障處理與通知。若某個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的水壓長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法恢復(fù)至正常范圍內(nèi)，控制器將判斷其為故障狀態(tài)。此時(shí)，除了對(duì)其他水泵執(zhí)行暫停操作外，控制器還需要將故障信息上傳至云端服務(wù)器，并通過服務(wù)器將故障通知發(fā)送至用戶的手機(jī)應(yīng)用程序，以便用戶及時(shí)處理。

2.5 遠(yuǎn)程控制

當(dāng)用戶在手機(jī)應(yīng)用程序上發(fā)出控制命令（如啟動(dòng)、停止、調(diào)整灌溉模式等）時(shí)，命令會(huì)通過云端服務(wù)器發(fā)送到嵌入式控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)收到命令后，首先對(duì)命令進(jìn)行解析，然后根據(jù)命令內(nèi)容對(duì)水泵進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。

以啟動(dòng)命令為例，當(dāng)嵌入式控制系統(tǒng)收到啟動(dòng)命令后，會(huì)逐個(gè)啟動(dòng)各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的直流水泵。首先啟動(dòng)第一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，當(dāng)其水壓穩(wěn)定后，再依次啟動(dòng)后續(xù)的驅(qū)動(dòng)單元。在啟動(dòng)過程中，控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各驅(qū)動(dòng)單元的水壓，確保水泵按照預(yù)定的工作模式正常運(yùn)行。同時(shí)，嵌入式控制系統(tǒng)會(huì)將水泵的運(yùn)行狀態(tài)信息上傳至云端服務(wù)器，并通過手機(jī)應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)展示給用戶[7]。

對(duì)于停止命令，嵌入式控制系統(tǒng)會(huì)逐個(gè)關(guān)閉各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的直流水泵，并在關(guān)閉過程中監(jiān)測(cè)各驅(qū)動(dòng)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(tài)信息也會(huì)實(shí)時(shí)上傳至云端服務(wù)器，并通過手機(jī)應(yīng)用程序展示給用戶。

通過以上控制命令的下發(fā)過程，用戶可以利用手機(jī)應(yīng)用程序方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)基于光伏驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)直流水泵灌溉系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。這樣的設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的操作便利性和實(shí)時(shí)性，有利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低維護(hù)成本[9-11]。

3 總結(jié)

本文所提出的基于光伏驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)直流水泵灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色發(fā)展、提高能源利用效率以及減輕環(huán)境壓力具有積極意義。

1）利用光伏板作為能源驅(qū)動(dòng)直流水泵工作，能夠?qū)崿F(xiàn)綠色、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)灌溉，減少對(duì)燃油發(fā)電機(jī)組或市電的依賴，降低能源消耗，減少環(huán)境污染。

2）采用串聯(lián)的方式將低位水源逐級(jí)提升，對(duì)高位置農(nóng)田進(jìn)行灌溉，實(shí)現(xiàn)了水泵性能的最大化利用，提高了系統(tǒng)的灌溉效率。

3）設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)及控制模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泵、光伏板等關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)某個(gè)驅(qū)動(dòng)單元出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)并暫停所有單元的工作，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4）通過SIM卡和云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)遠(yuǎn)程控制整個(gè)系統(tǒng)工作的開始與停止，提高了系統(tǒng)的操作便利性和實(shí)時(shí)性，有利于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低維護(hù)成本。

5）通過各驅(qū)動(dòng)單元之間的水壓狀態(tài)信息傳遞，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制，能夠確保系統(tǒng)在各級(jí)水壓正常范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。