農(nóng)業(yè)光伏電站智能灌溉系統(tǒng)研究

吳麗軍，李煥彬，汪宏亮，胡益豪，方曉敏

（衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州 324000）

農(nóng)業(yè)光伏電站將光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)相結(jié)合，充分利用土地資源，具有良好的經(jīng)濟(jì)社會效益。在“雙碳”背景下，具有良好的發(fā)展前景。截至2021 年，國內(nèi)農(nóng)業(yè)光伏電站約6500 萬kW，占地大約1218.8 萬畝（1 畝約等于667 m2）。南方地區(qū)的農(nóng)業(yè)光伏電站大多建在丘陵緩坡上，存在灌溉困難的問題，導(dǎo)致種植效益低，甚至出現(xiàn)土地被棄用的情況?，F(xiàn)有的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)成本高、通用性低，難以適用于農(nóng)業(yè)光伏電站，亟需開發(fā)專用于農(nóng)業(yè)光伏電站的智能灌溉系統(tǒng)。

本文將灌溉系統(tǒng)與光伏電站設(shè)施充分融合，大大降低系統(tǒng)成本，在灌溉的同時實(shí)現(xiàn)光伏組件的清洗，提高光伏電站的發(fā)電量，從而大大提高了灌溉系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目的完成對解決我國農(nóng)業(yè)光伏電站的灌溉問題具有重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，農(nóng)業(yè)光伏電站土壤濕度與光伏組件表面清潔度變化的趨勢基本相同，主要原因是晴天土壤濕度會下降，光伏組件表面的積灰也會增多，而在下雨時，土壤濕度會提高，同時光伏組件表面的灰塵也會被雨水沖洗。因此，農(nóng)業(yè)光伏電站灌溉和光伏組件清洗的需求比較同步。本文根據(jù)該特點(diǎn)，設(shè)計了農(nóng)業(yè)光伏電站灌溉和清洗一體化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)光伏電站灌溉和清洗共用管道、灌溉和清洗共用水，如圖2 所示，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一水兩用，大大降低了灌溉和清洗的成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 土壤濕度和光伏組件清潔度變化

圖2 農(nóng)業(yè)光伏電站灌溉+清洗

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，控制器通過氣象儀、土壤濕度傳感器獲取當(dāng)前土壤濕度、空氣溫濕度和風(fēng)速等信息，同時上網(wǎng)獲取天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，再根據(jù)設(shè)定的灌溉策略來判定是否需要啟動灌溉。在需要灌溉時，啟動自動清洗機(jī)構(gòu)對光伏組件進(jìn)行清洗，自動灌溉機(jī)構(gòu)利用清洗后的水進(jìn)行灌溉。系統(tǒng)還設(shè)置了無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)數(shù)據(jù)的通信和參數(shù)的設(shè)置。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

農(nóng)業(yè)光伏電站中的匯流箱具有數(shù)據(jù)采集和通信功能，并且匯流箱安裝在戶外光伏陣列中，本課題擬對光伏匯流箱進(jìn)行改造，利用其實(shí)現(xiàn)種植環(huán)境數(shù)據(jù)采集、通信和自動灌溉控制。這樣可以大大降低農(nóng)業(yè)光伏電站智能灌溉系統(tǒng)的成本。光伏匯流箱的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示，在現(xiàn)有光伏匯流箱的基礎(chǔ)上增加了I/O 口，以及傳感器模塊和外部設(shè)備驅(qū)動接口。

圖4 農(nóng)光互補(bǔ)光伏匯流箱控制系統(tǒng)示意圖

3 樣機(jī)制作與試驗(yàn)

樣機(jī)如圖5 所示，在農(nóng)業(yè)光伏電站下面種植了多肉植物，在光伏組件的上方設(shè)置了自動清洗機(jī)構(gòu)，在組件的下端設(shè)置了水槽，用來收集光伏組件清洗后的水，收集后的水通過灌溉水管對下方的農(nóng)作物進(jìn)行灌溉。

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)

控制器如圖6 所示，主要包括網(wǎng)絡(luò)氣象獲取模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、清洗信號輸出模塊和電源模塊?？刂破鞲鶕?jù)土壤濕度、作物需求和天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，進(jìn)行灌溉決策，決定灌溉時間和灌溉水量，如圖7 所示。

圖6 控制器

圖7 控制器工作原理

土壤濕度傳感器如圖8 所示，實(shí)時監(jiān)測土壤濕度，為自動灌溉提供依據(jù)。灌溉和清洗時的照片如圖9 所示，清洗水管在絲桿機(jī)構(gòu)的作用下自上往下運(yùn)動對光伏組件進(jìn)行清洗。

圖8 土壤濕度傳感器

圖9 灌溉+清洗工作圖

光伏組件清洗的照片如圖10 所示，清洗水管上均勻設(shè)置了噴水孔，噴射出具有一定壓力的水柱，對光伏組件具有良好的清洗效果。灌溉的照片如圖11 所示，灌溉水管與水槽相連，上面設(shè)置了多個噴水孔，可以對多個方向進(jìn)行噴水灌溉。

圖10 光伏組件清洗圖

圖11 農(nóng)作物灌溉圖

為了得到光伏組件的最佳清洗效果，進(jìn)行了不同水壓、不同孔徑、不同移動速度和不同清潔度時的清洗效果試驗(yàn)。最終根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取了合適的技術(shù)參數(shù)。不同清洗壓力時的清洗效果對比如圖12 所示，從圖中可以看出清洗壓力越高，清洗效果越好。當(dāng)清洗壓力達(dá)到4 bar 時，清洗效果基本達(dá)到最佳。

圖12 不同清洗壓力時清洗效果對比

不同孔徑時的清洗效果對比如圖13 所示，從圖中可以看出孔徑越小，清洗效果越好。當(dāng)孔徑達(dá)到1 mm時，清洗效果基本達(dá)到最佳。

圖13 不同孔徑時清洗效果對比

不同移動速度時的清洗效果對比如圖14 所示。從圖中可以看出移動速度越慢，清洗效果越好。當(dāng)移動速度達(dá)到0.2 m/s 時，清洗效果基本達(dá)到最佳。

圖14 不同移動速度時清洗效果對比

4 應(yīng)用與分析

在浙江省衢州市上彭川村農(nóng)業(yè)光伏電站開展了應(yīng)用。試用規(guī)模：試用光伏電板200 m2（對照組100 m2，實(shí)驗(yàn)組100 m2）。種植農(nóng)作物：在光伏電站下種植玉米，玉米品種使用澳早60 品種。

灌溉照片如圖15 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)土壤濕度和作物需水量進(jìn)行智能灌溉，并且灌溉均勻，效果良好。

圖15 灌溉照片

光伏組件清洗照片如圖16 所示。試驗(yàn)表明將灌溉用水先用于光伏組件的清洗，可以有效清除灰塵，光伏組件發(fā)電量可以提升5%左右。

圖16 清洗照片

試用結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以滿足農(nóng)業(yè)光伏電站農(nóng)作物灌溉的需求，經(jīng)濟(jì)效益顯著，每畝種植增收1230元，灌溉用水對光伏板清洗作用，每畝光伏發(fā)電增收1218 元。