基于風光互補與毛細現象灌溉的光感農業大棚

胡士邁 滕道祥

摘 要

該系統以MSP430單片機作為的控制中樞，通過實時檢測溫室外光照強度通過控制芯片的數據處理后，優化調整太陽能電池板的對光位置，在滿足室內植物生長需要的光照強度下增加了光伏發電量。此外，利用該系統可以采集大棚內部溫度、土壤濕度等環境數據，根據植物土壤濕度的變化進行合理地毛細灌溉，從而有效提高植物的生長速度并且減少水資源的浪費。

關鍵詞

風光互補;毛細現象;夜間增光;智能調節

中圖分類號： S688.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.109

1 研究背景

隨著人們對蔬菜水果等需求日益增大，跨季種植就成了一個必須克服的問題，而跨季種植的必要設施是什么呢？那就是溫室大棚，經過多年的發展，大棚種植已經是現代農業構成的非常重要的一部分，是許多跨季植物的根本保證。然而目前國內外現有的蔬菜大棚一般采用光伏發電以及國家電網供電，能量來源非常單一并且需要大量的人工操作極大地增加了人力成本，當遇到一些特殊情況大棚的日常工作即會受到極大的制約。此時的整個工作系統將不得不陷入癱瘓狀態，這真的是現代化大棚應該出現的問題嗎，依賴于單一的能量來源以及勞累的人工操作的大棚，依舊不是現代化的。這時就需要一個更加穩定、智能的溫室大棚系統，去保證能量來源的多元性，操作的便捷性。在東部沿海和西北等地區風能與太陽能儲備極為充足，具備架設太陽能板以及風力發電機的條件。在保證作物正常生長的同時增加系統能量來源調高系統的穩定性;在保證作物供水需求的同時采用精準毛細灌溉減少水資源的浪費。

2 設計方案

2.1 供電系統

風能、光伏互補發電是整個系統能量來源的重要組成部分，主要經過風力發電機、光伏發電板組綜合發電通過充電裝置的穩壓、限流后存儲在系統的蓄電電組內。風力發電機和光伏發電板組的架設位置示意圖如圖1所示，大棚的兩邊安置垂直軸風力發電機，關于安置密度按照所在地區的大棚周圍空間、風能儲備情況、大棚密度等數據進行綜合分析來確定垂直軸風力發電機的安裝密度。根據大棚的高度、周圍風力大小來確定安裝垂直軸風機的高度及使用風機的規格、大小。在大棚頂部安置光伏發電板，根據蔬菜的生長需要，選擇光伏板發電板的規格及安裝密度。

2.2 供水系統

水資源是植物生長的必備資源，但是傳統的大棚采用的大多是溝灌的方式為蔬菜進行灌溉，需要大量的灌溉水的同時水資源的利用率卻非常低。溝灌的灌水量大、灌水壓力高，灌水不均勻，導致對土地沖擊大，容易造成土地土壤和肥料的流失。這也導致了使用大棚種植農戶需要一年更換一次大棚位置并且要對土地進行深耕的問題。一旦需要一年更換一次大棚將該會導致大量的資源浪費。因此必須針對源頭下手，改變傳統的灌溉方式，采用毛細灌溉（毛細灌溉示意圖如圖2）。由毛細管束連接水體與土體或盆土，實現對植物的可控、最佳供水供肥;可節省能源、簡化管理，還可對土壤通氣、排水、滅蟲;為免耕法和自動化種植創造了條件。

2.3 控制終端

大棚的控制終端主要由單片機以及多種傳感器組成，具體實施方式是從室外光強以及室內溫濕度入手，由兩對光敏元件和溫濕度傳感器采集信號，經電橋電路和比較器處理，將脈沖送到單片機，實現對室外光強以及室內溫濕度的實時監測，經過MCU單片機內部數據的處理與運算并用LCD顯示出來。信號采集由溫濕度傳感器與MCU單片機構成。由傳感器與單片機的信號交流實現快速精準的對室內溫濕度實行監控。溫濕度的變化數據實時傳輸至單片機內部存儲系統進行數據濾波，將濾波后的溫濕度加入系統環境調整中。操控部分，采用人工操控和自動控制兩種操作模式，在正常情況下可由系統自行操控，在特殊情況下也可切換為手動控制。顯示部分，顯示屏共四行，每行16個字符。第一行為標題：光感智能大棚。第二行：Temperature：XX.X℃。意思是：溫度，目前室內的實時溫度。第三行：Humidity：XXXX。意思是目前室內土壤濕度。第四行：Mode Switch：XXXX。意思切換操作模式。LCD顯示。液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。光伏板運動部分主要由控制電路、舵機、MCU組成。由光敏元件檢測外界光強的改變，經過MCU單片機進行數據處理，進而控制舵機進行調整光伏板到合適位置。（控制終端功能圖如圖3所示）

3 功能的實現與未來展望

光伏板的運動與毛細管供水是本設計的核心內容。將外界光強與植物需求聯系起來，通過對外界光強的實時測量以及精細分段來對應改變光伏板的位置為室內植物提供最適宜生長的光照強度。通過毛細現象來作為植物供水方式，當監測到土壤濕度濕度不足時通過土壤中的毛細管來為植物補充水源。系統能量來源由太陽能板的光伏發電與風力發電機的風力發電進行結合供給，利用風光互補的供電方式增強系統穩定性，當電力充足時可將多余電力儲存在蓄電池中，當光伏板與風力發電機實時提供電力不足時則使用蓄電池內儲存的電能為系統供電。通過控制測量電路、太陽能光伏板、風力發電機、毛細管組成了整個光感智能大棚系統。

隨著硅材料光伏發電板技術的不斷創新與發展，發電效率將逐步提高，發電量也會不斷增多，極大地增強了未來光感智能大棚的可持續發展能力。隨著人們對跨季蔬菜需求量的越來越大，未來溫室大棚的發展必將走向現代化、智能化方向。溫室大棚的需求將越來越大，大棚的穩定性、易操作、節能性等特點將尤為重要。

4 結語

節能性、穩定性、便捷性將會是未來大棚發展的新方向，智能光感大棚必定會成為未來大棚的發展方向。隨著光伏發電與風力發電的互補性提高，將會導致大棚行業的新的發展。雖然目前風光互補發電技術上依舊存在一些問題，但正是因為這些問題，為未來的設計與發展指明了方向。相信隨著技術的不斷突破，能源利用率的不斷提高，風光互補智能大棚的諸多問題都會得到解決。

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