物聯(lián)網(wǎng)與太陽能發(fā)電在智能灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用

薛守春

（山西奧博能源電力有限公司，山西 忻州 034300）

1 物聯(lián)網(wǎng)在智能灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用

農(nóng)田灌溉作為整體農(nóng)業(yè)灌溉的執(zhí)行環(huán)節(jié)，其基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能控制尤為重要。通過土壤墑情的數(shù)據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)采集，對(duì)土壤墑情的適宜度進(jìn)行分析，從旱情預(yù)測(cè)與調(diào)控角度進(jìn)行水資源規(guī)劃與調(diào)度，同時(shí)從精準(zhǔn)灌溉決策與預(yù)測(cè)方面展開基于物聯(lián)網(wǎng)灌溉的遠(yuǎn)程智能控制，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)一體化灌溉決策與控制。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用原理即為通過物與物的溝通、信息的共享與傳輸來實(shí)現(xiàn)智能灌溉。根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用機(jī)理，從物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)控制中心進(jìn)行授權(quán)至農(nóng)業(yè)用戶端，經(jīng)一系列的運(yùn)行控制算法及程序與物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)模塊進(jìn)行信息連通。各接口、管理與服務(wù)由服務(wù)模塊完成，調(diào)控則由控制平臺(tái)執(zhí)行。根據(jù)該機(jī)理，形成農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)核心設(shè)備組件列表，從墑情采集、灌溉控制、控制執(zhí)行三大設(shè)備組件根據(jù)范圍特點(diǎn)進(jìn)行分配監(jiān)測(cè)方式和控制參數(shù)選擇。

2 太陽能發(fā)電在智能灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 日照分布函數(shù)模型

灌溉系統(tǒng)以太陽能作為能源，因此太陽輻射強(qiáng)度直接影響這個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。由于同一地區(qū)不同季節(jié)光照強(qiáng)度不同，5月份為水稻灌溉高峰期，且東北地區(qū)5月份太陽輻射強(qiáng)度沒有達(dá)到全年最大值，因此以5月份太陽輻射樣本進(jìn)行分析。地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)作用造成稻田日照強(qiáng)度隨時(shí)間變化，5月份實(shí)驗(yàn)田地區(qū)平均每個(gè)時(shí)刻太陽照射強(qiáng)的變化關(guān)系如圖1所示。4：00日出，18：00日落，期間光照強(qiáng)度呈先變大后降低趨勢(shì)。在上午12：00左右，出現(xiàn)最大值Emax=902W/m2。現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)擬合。試驗(yàn)田地區(qū)具有豐富的太陽能資源，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以提供灌溉系統(tǒng)所需能量，實(shí)現(xiàn)光能向電能轉(zhuǎn)化。

2.2 光伏發(fā)電能量轉(zhuǎn)化模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)完成從太陽光輻射到水泵輸入之間的轉(zhuǎn)換：首先，通過太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為直流電能，直流電采用逆變器轉(zhuǎn)化為交流電，交流電作用水泵電機(jī)的輸入，最終水泵將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能力轉(zhuǎn)移。太陽能電池板輸出功率Ps為：

其中，ηs為太陽能電池板光電轉(zhuǎn)換效率，As為太陽能電池板總面積，Et為t時(shí)刻光照強(qiáng)度。采用逆變器，將直流轉(zhuǎn)化為交流，逆變器效率為ηn，則水泵輸入功率Pr為：

2.3 水泵工作模型

水泵實(shí)現(xiàn)輸入交流電能向排水機(jī)械能的轉(zhuǎn)變，4：00-6：00區(qū)間內(nèi)，水泵有輸入功率，輸入功率為0；6：00-8：00區(qū)間內(nèi)，隨著水泵輸入功率的提升，水泵輸出功率開始增加；8：00-14：00區(qū)間內(nèi)，水泵輸出功率保持不變，輸入功率呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)；14：00-17：00區(qū)間內(nèi)，水泵輸出功率隨輸入功率降低而下降；17：00-18：00區(qū)間內(nèi)，水泵有輸入功率，輸出功率為0。4：00-5：00區(qū)間效率為0；5：00-8：00區(qū)間效率上升到最高點(diǎn)；8：00-14：00區(qū)間效率呈先減小后降低規(guī)律；14：00-17：00區(qū)間內(nèi)，效率逐漸降低；17：00后，效率為0。

造成水泵效率變化的原因?yàn)樗么嬖趩?dòng)功率及額定功率。當(dāng)輸入功率低于啟動(dòng)功率時(shí)，水泵無法啟動(dòng)；當(dāng)輸入功率大于啟動(dòng)功率小于額定功率時(shí)，水泵效率會(huì)隨著輸入功率的增加而增加，效率也相應(yīng)增加；當(dāng)輸入功率大于額定功率時(shí)，水泵輸出功率為額定功率輸出，不會(huì)改變，呈現(xiàn)出隨著輸入功率的增加水泵工作效率下降的現(xiàn)象，輸入功率最大值時(shí)，效率為該區(qū)間最小值。當(dāng)輸入功率小于額定功率時(shí)，水泵效率會(huì)隨之降低；當(dāng)輸入功率小于啟動(dòng)功率時(shí)，水泵停止工作，輸出為0。水泵啟動(dòng)功率為5kW，額定輸入功率為18kW。水泵工作效率與輸入功率相關(guān)，現(xiàn)討論二者關(guān)系。水泵存在啟動(dòng)功率和額定功率。將整個(gè)輸入功率曲線分為3部分，由于輸入功率低于啟動(dòng)功率時(shí)，系統(tǒng)無輸出，因此討論輸入功率位于水泵啟動(dòng)功率和額定功率之間、輸入功率大于額定功率和輸入功率

最大值兩區(qū)間內(nèi)效率問題。

當(dāng)輸入功率位于水泵啟動(dòng)功率和額定功率之間時(shí)。對(duì)其進(jìn)行線性擬合，線性決定系數(shù)R2=0.97，表明該模型具有較高線性相關(guān)性。在該區(qū)間內(nèi)，水泵效率與輸入功率成線性關(guān)系，即：

輸入功率大于額定功率和輸入功率最大值之間時(shí)。對(duì)其進(jìn)行2次擬合，則：

相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96，表明在該區(qū)間內(nèi)，水泵效率與輸入功率呈2次方關(guān)系。由此可得水泵效率ηp模型，如式（6）所示。其中，Pstart為啟動(dòng)功率，Pe為額定功率，Pr為水泵輸入實(shí)際功率。

3 結(jié)語

智能灌溉是利用物聯(lián)網(wǎng)與太陽能發(fā)電將各種傳感裝置和網(wǎng)絡(luò)連接起來，對(duì)農(nóng)田及農(nóng)作物的各種信息進(jìn)行采集、傳輸和處理，并根據(jù)需要遠(yuǎn)程操控設(shè)備實(shí)現(xiàn)一種智能化的精準(zhǔn)灌溉。結(jié)合智能灌溉系統(tǒng)的功能需求和特點(diǎn)，對(duì)其基于物聯(lián)網(wǎng)與太陽能發(fā)電等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。該系統(tǒng)具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展前景，對(duì)促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要意義。