基于管道水流發(fā)電的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)供電系統(tǒng)設計

常曉敏，魏科宇，左廣宇，劉大雷，劉文浩，劉 琪

（1.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024；2.太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，高效節(jié)水灌溉得到了越來越多的應用［1］，其核心部分是自動灌溉監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多種傳感器和控制器。隨著灌溉面積的增長，電力供應就成了保證自動灌溉監(jiān)測系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。使用電池限制了整個系統(tǒng)的工作時間，同時更換電池會增加人工成本，且很不環(huán)保。使用太陽能和風能等新能源是非常環(huán)保的，但是其發(fā)電量極易受自然環(huán)境影響，而且建設成本非常高。

為此，直接使用現(xiàn)有的灌溉輸水管網(wǎng)，利用灌溉的水能進行發(fā)電，可大大節(jié)約建設成本。且其和傳統(tǒng)的水力發(fā)電一樣，都屬于清潔能源。現(xiàn)階段，國內(nèi)外針對小型管道水流發(fā)電的研究與試驗已趨于成熟：段巍釗為實現(xiàn)對自來水管網(wǎng)中的傳感器進行供電，設計了一種基于管道內(nèi)部流體動能發(fā)電的管道水流發(fā)電系統(tǒng)，設計輸出功率約為100 W［2］；陳明吉等人，將微型水流發(fā)電機與水表進行集成，利用供水管網(wǎng)中的水能向智能水表供電［3］；肖騰設計了一款垂直軸管道水輪機，水輪機輸出功率為50 W［4］。以上設計都是利用水流發(fā)電，解決設備供電問題，但針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備的專用小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)的研究較少。

因此，研制適合于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備的低成本、高效率、智能化的小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)具有良好的應用前景。針對以上問題，我們對水輪機的葉輪結(jié)構(gòu)進行了研究，設計了系統(tǒng)控制電路，提出了MPPT最大功率點供電策略，研制出了小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)為監(jiān)測設備持續(xù)穩(wěn)定供電。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)組成

小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)主要由水輪機、發(fā)電機、系統(tǒng)電路、蓄電池、I/O 擴展接口組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。管道水流驅(qū)動水輪機葉輪，水輪機作為原動機，實現(xiàn)水能向機械能的轉(zhuǎn)換。發(fā)電機轉(zhuǎn)子與水輪機轉(zhuǎn)軸同軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換。在實際的灌溉工作中，管道水流會根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉的需要進行調(diào)節(jié)，從而影響水輪機的轉(zhuǎn)速，導致發(fā)電機輸出的電壓不穩(wěn)定，不能直接向設備和蓄電池供電，系統(tǒng)電路采用DC-DC變換電路，通過改變電路開關(guān)管導通占空比來將發(fā)電機輸出的不穩(wěn)定直流電壓轉(zhuǎn)換輸出為穩(wěn)定的電壓［4］；此時電路的輸出功率也隨之發(fā)生變化，控制電路通過電壓電流傳感器對發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流進行檢測，主控制器對DC-DC變換電路開關(guān)管導通占空比進行調(diào)節(jié)以實現(xiàn)系統(tǒng)的負載匹配，從而使系統(tǒng)工作在最大功率處［5］。當管道水流無法滿足發(fā)電機工況需要時，由蓄電池向設備供電。I/O 擴展接口可根據(jù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的實際需要安裝通訊模塊、監(jiān)測模塊。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 水輪機的設計

2.1.1 總體設計參數(shù)

水輪機的輸出與水輪機葉輪的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。其中，葉輪葉片的幾何形狀、安裝角、數(shù)量等因素都會影響管道水能的利用率，進而影響水輪機的輸出功率。同時，不同的葉輪結(jié)構(gòu)也會對管道流場產(chǎn)生不同的影響，影響葉輪的空蝕性能。因此，確定葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)是水輪機設計的關(guān)鍵。

在節(jié)水型農(nóng)業(yè)灌溉的實踐中，主要以中低壓灌溉管道進行輸水為主。本文針對此類管道進行管道水輪發(fā)電機設計。管道設計工況如表1所示，以此為邊界條件進行葉輪設計。

表1 管道設計工況Tab.1 Pipeline design condition

傳統(tǒng)的水輪機的設計制造是根據(jù)水輪機轉(zhuǎn)輪型譜參數(shù)表進行選型設計。幾何相似、運動相似、動力相似的水輪機可根據(jù)水輪機相似理論，建立模型與原型水輪機各個參數(shù)之間的關(guān)系。本工況下的管道水輪機由于尺寸太小，將其進行相似比例縮小換算后，其葉片厚度太小無法滿足材料的力學性能。將其進行加厚處理，則其換算后的流量、效率與模型型譜參數(shù)相去甚遠。

因此本文參考傳統(tǒng)水輪機的葉輪結(jié)構(gòu)，通過Solidworks 進行水輪機葉輪的三維建模。葉輪結(jié)構(gòu)設計參數(shù)如表2所示。為了解水輪機葉輪流場的真實情況和水輪機的輸出情況，根據(jù)計算流體動力學的理論基礎(chǔ)，以表1中的管道工況作為邊界條件，采用Fluent 進行仿真計算。52°轉(zhuǎn)角6 葉片的葉輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表2 葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of impeller

本文通過建立不同葉輪結(jié)構(gòu)，利用Fluent 軟件計算選取最佳的葉片結(jié)構(gòu)模型，記錄葉輪水力輸出能力，作為發(fā)電系統(tǒng)設計的基礎(chǔ)。

2.1.2 轉(zhuǎn)速估算

在對葉輪模型進行仿真計算前，將模型導入到ANSYS中的Mesh 進行網(wǎng)格劃分。采用Element Quality 和Skewness 等指標，對生成的網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，使用Domain進一步優(yōu)化網(wǎng)格。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)管道的邊界條件，采用Dynamic Mesh 對葉輪進行仿真計算。仿真計算的參數(shù)如表3所示。

表3 仿真計算參數(shù)Tab.3 Simulation calculation parameters

根據(jù)仿真計算結(jié)果，得到葉輪轉(zhuǎn)速與葉片轉(zhuǎn)角、葉片數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，在葉片轉(zhuǎn)角45°～60°的范圍內(nèi)，葉輪轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)角的變大而提高。當轉(zhuǎn)角為45°時，葉輪轉(zhuǎn)速約為440 r/min；當轉(zhuǎn)角為60°時，轉(zhuǎn)速提高到705 r/min。從葉片數(shù)來看，在同一轉(zhuǎn)角下，增加葉片數(shù)量，轉(zhuǎn)速均在小范圍內(nèi)波動，無較大變化。因此可認為，在本文研究的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，只提高葉片數(shù)量，不能有效提高該葉輪模型的轉(zhuǎn)速。但從轉(zhuǎn)速上來看，在同樣的葉片數(shù)量條件下，每當葉片轉(zhuǎn)角提高5°時，葉輪轉(zhuǎn)速隨之提高約90 r/min。因此可認為，在本文研究的45°～60°的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，該葉輪模型的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)角的變化呈線性變化，滿足正比例關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系，繪制出同一葉片數(shù)量下葉輪轉(zhuǎn)速與葉片轉(zhuǎn)角的相關(guān)關(guān)系圖，如圖3（b）所示。因此，可利用葉輪轉(zhuǎn)速與葉片轉(zhuǎn)角的正比例關(guān)系推算出在45°～60°內(nèi)的葉片轉(zhuǎn)角下各葉輪模型大致的轉(zhuǎn)速。

2.1.3 葉輪水力輸出分析

利用動網(wǎng)格轉(zhuǎn)速計算，分析轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，可以計算其他葉片結(jié)構(gòu)下的葉輪轉(zhuǎn)速。考慮到水輪機轉(zhuǎn)速與輸出功率的關(guān)系以及對管內(nèi)流場的影響程度，結(jié)合葉輪轉(zhuǎn)速的變化情況，50°～55°的葉片轉(zhuǎn)角可滿足該發(fā)電系統(tǒng)的輸出要求，同時不會對流場產(chǎn)生較大影響。因此，選取該區(qū)間的葉片轉(zhuǎn)角進行穩(wěn)態(tài)下的水輪機的工作分析。利用葉輪轉(zhuǎn)速與葉片轉(zhuǎn)角的關(guān)系推算出的轉(zhuǎn)速作為初始條件進行穩(wěn)態(tài)計算，得出不同轉(zhuǎn)角下水輪機穩(wěn)定運行時的輸出功率（W）與水力效率（%），從而確定性能最優(yōu)的葉輪結(jié)構(gòu)。不同轉(zhuǎn)角下輸出功率與葉片數(shù)關(guān)系如表4所示，不同轉(zhuǎn)角下水力效率與葉片數(shù)關(guān)系如表5所示，不同轉(zhuǎn)角下水頭損失與葉片數(shù)關(guān)系如表6所示。

表4 不同轉(zhuǎn)角下輸出功率與葉片數(shù)關(guān)系WTab.4 The relationship between the output power and the number of blades at different angles

表5 不同轉(zhuǎn)角下水力效率與葉片數(shù)關(guān)系%Tab.5 The relationship between the hydraulic efficiency and the number of blades at different angles

表6 不同轉(zhuǎn)角下水頭損失與葉片數(shù)關(guān)系mTab.6 The relationship between the head loss and the number of blades at different angles

綜合考慮設計水力輸出功率35 W，水頭損失不高于2%且效率高于80%，選取轉(zhuǎn)角為53°，數(shù)量為7 的葉片的葉輪模型作為水輪機的葉輪。在該葉輪構(gòu)型下，水輪機穩(wěn)定運行時的工況如表7所示。

表7 水輪機穩(wěn)定運行工況Tab.7 Stable running condition of hydraulic turbine

2.2 發(fā)電機的選型設計

發(fā)電機按磁場的產(chǎn)生方式可分為由永久磁鐵產(chǎn)生磁場的永磁式發(fā)電機和由勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生磁場的勵磁式發(fā)電機。由于勵磁式發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)體積較大、結(jié)構(gòu)設計復雜，且需另外供電，不適合用于管道發(fā)電系統(tǒng)［6］。因此，選用永久磁鐵進行生磁的方式，并對發(fā)電機進行選型。在實際設計中，考慮水輪機的轉(zhuǎn)速、輸出功率以及發(fā)電機的結(jié)構(gòu)布置，選用型號為MOTOR QRM400HX 的永磁直流發(fā)電機。發(fā)電機輸出工況如表8所示。

表8 發(fā)電機輸出工況Tab.8 Generator output condition

根據(jù)葉片轉(zhuǎn)角為53°葉片數(shù)為7 的水輪機在穩(wěn)定運行時的工況，轉(zhuǎn)速為580 r/min，水輪機與發(fā)電機同軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速保持一致。在不考慮其他損失的情況下，則發(fā)電機的輸出電壓約為55 V。

2.3 系統(tǒng)電路設計

系統(tǒng)電路設計主要包括控制電路的設計與DC-DC 電路的設計。系統(tǒng)電路控制框圖如圖4所示。

2.3.1 DC-DC電路設計

DC-DC 變換電路有很多不同類型，按變換器的功能分為：BOOST 升壓型電路、BUCK 降壓型電路、BUCK-BOOST 升降壓型電路以及CUK 斬波電路。因本系統(tǒng)中發(fā)電機的輸出電壓大于蓄電池和設備的輸入電壓，故選擇BUCK 降壓型變換電路［7］，通過調(diào)節(jié)PWM 占空比的大小以匹配負載，從而將發(fā)電機的輸出電壓變換為適合用電器和蓄電池使用的穩(wěn)定低電壓。

2.3.2 控制電路設計

控制電路由主控制器、電壓電流檢測電路、驅(qū)動電路組成。為了實行高效的農(nóng)業(yè)灌溉，灌溉水量會隨作物的需求進行調(diào)節(jié)，這一調(diào)節(jié)過程會影響基于管道水流發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性。為提高發(fā)電系統(tǒng)的能源利用率，采用最大功率點跟蹤策略，即MPPT。采用該種控制方法，當電路內(nèi)外部阻抗相同時，電路即以最大功率進行輸出。在該設計中，DC-DC 變換電路作為阻抗變換器，通過調(diào)節(jié)PWM 占空比的大小以匹配負載［8］。這一調(diào)節(jié)過程需要通過傳感器實時對控制電路的輸入輸出進行采集，并將采集的電流、電壓信號傳輸給控制器，控制器根據(jù)控制策略，將PWM 信號輸出給驅(qū)動電路。驅(qū)動電路將信號放大后輸出給DC-DC電路，最終實現(xiàn)MPPT控制。

（1）主控制器的選型。因管道水流發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量較小，主控制器在選型上需要使用低功率型號，以支持農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)測設備的長時間運作。同時，考慮到野外惡劣多變的自然環(huán)境，主控制器也需要極高的穩(wěn)定性。綜上所述，本設計選用基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103C8T6 微控制器作為該電路的主控制器。該控制器可在睡眠、停機和待機模式下實現(xiàn)低功耗運行，通過VBAT為RTC 和后備寄存器供電。其供電電壓為2.0～3.6 V，工作溫度范圍為-40～+85 ℃，能夠很好地適應極端天氣的變化。在擴展方面，該控制器具有9 個通信接口和37 個快速I/O 端口，適用于監(jiān)測系統(tǒng)中大量傳感器的集成。STM32F103C8T6微控制器在低功耗、穩(wěn)定性和擴展性上均滿足供電系統(tǒng)的要求。

（2）電壓電流檢測電路設計。電流檢測方面，電流傳感器選用基于霍爾效應的線性電流傳感器，型號為ACS712。該型號傳感器使用5.0 V 單電源進行供電，輸出靈敏度為66～185 mV/A，帶寬為80 kHz，在25 ℃下總體輸出誤差為1.5%。同時，其尺寸較小，在響應速度、絕緣性及穩(wěn)定性方面都具有較優(yōu)的性能。電流檢測電路如圖5所示。

電壓檢測方面，基于LM358 雙運算放大器進行電路設計。電壓檢測電路如圖6所示。LM358雙運算放大器在電路中構(gòu)成電壓跟隨器，單電源下電壓范圍為3～30 V，雙電源工作模式下范圍為±1.5～±15 V，同時具有低功耗電流，適合于電池供電。

（3）驅(qū)動電路設計。主控制器根據(jù)程序分析輸入的電壓電流信號，輸出PWM 信號。但由于控制器輸出的PWM 為控制信號，驅(qū)動能力比較弱，不能直接驅(qū)動MOS 管開關(guān)［9］。為此，本系統(tǒng)設計了相應的驅(qū)動電路來放大PWM 信號，選用型號為IR2104作為MOS管的專用驅(qū)動芯片，其電路設計如圖7所示。

2.4 蓄電池選型設計

在實行按需灌溉的過程中，灌溉水流無法始終滿足發(fā)電的需要。當發(fā)電系統(tǒng)停機時，需通過蓄電池等儲能設備向農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)供電。同時，蓄電池在供電系統(tǒng)當中還起到平衡負載和能量調(diào)節(jié)的作用。因此，蓄電池的使用壽命和穩(wěn)定性直接影響到系統(tǒng)的安全可靠運行［10］。從當前的市場普及率來看，鋰電池和鉛酸蓄電池被大量應用于新能源發(fā)電系統(tǒng)中。在同等容量、電壓下，鋰電池重量更輕，能量密度更高，但其造價相對較高，且極不穩(wěn)定。鉛酸蓄電池電壓特性平穩(wěn)、溫度適用范圍廣，同時價格低廉，安全性高。綜上所述，使用鉛酸蓄電池作為供電系統(tǒng)的儲能電池。

在現(xiàn)有的自動灌溉監(jiān)測系統(tǒng)中，設備輸入電壓主要以12 V為主。同時，考慮設備的功率和工作時間，在最大使用范圍內(nèi)，24 Ah 即可滿足設備的正常工作需要。因此，最終選用輸出電壓為12 V，容量為24 Ah的鉛酸蓄電池。

2.5 I/O擴展口設計

根據(jù)農(nóng)業(yè)監(jiān)測需要，需布置溫濕度傳感器、流量傳感器、數(shù)據(jù)存儲、遠程通訊等設備，這些設備都通過I2C 總線與主控制器通信。但本系統(tǒng)采用的主控制器只有2個I2C接口，不能滿足實際監(jiān)測需要，且后期設備擴展不便直接與主控制器相連。為此本文選取2 片型號為MCP23017 的I/O 擴展器，掛載于主控制器的同一條I2C總線上。該擴展器帶有16位遠程雙向I/O端口，能夠滿足農(nóng)業(yè)監(jiān)測設備的擴展需求。MCP23017 擴展模塊電路如圖8所示。

3 控制程序設計

本文在充放電策略上采用MPPT 控制方法進行調(diào)控，其程序設計如圖9所示。在該方法的調(diào)控下，控制電路的主控制器根據(jù)采集到的電流電壓信號，輸出PWM 信號以調(diào)節(jié)DC-DC 變換電路的占空比，從而匹配負載，達到最大輸出功率。

在系統(tǒng)具體的充放電過程中，首先對系統(tǒng)進行初始化設置，并檢測此時的蓄電池狀態(tài)，通過程序判斷蓄電池電壓是否滿足供電要求。取U1為正常工作電壓，取U2為最大工作電壓。當蓄電池電壓低于U1時，系統(tǒng)采用MPPT控制方法，調(diào)控主控制器輸出PWM 信號以調(diào)節(jié)占空比，為蓄電池充電；當蓄電池電壓高于U1低于U2時，則蓄電池處于正常工作狀態(tài)，為最大程度利用灌溉水能，采用恒壓充電的方式使蓄電池達到飽和狀態(tài)；當蓄電池電壓高于U2時，電量過飽和，為保證系統(tǒng)的安全，斷開充電開關(guān)，發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電。

4 系統(tǒng)試驗結(jié)果

為了解實際灌溉過程中，系統(tǒng)輸出受水流變化的影響程度，對系統(tǒng)進行了現(xiàn)場模擬試驗，具體試驗參數(shù)如下。試驗負載：農(nóng)業(yè)氣象與土壤墑情監(jiān)測設備，額定供電電壓為12 V，工作電流0.1～1 A，所含設備和數(shù)量如表9所示。

表9 農(nóng)業(yè)氣象與土壤墑情監(jiān)測設備Tab.9 Agrometeorological and soil moisture monitoring equipment

方案一：非灌溉時段，用水需求量很少，管道水流處于低速流動或靜止狀態(tài)，水輪機處于靜止工作狀態(tài)，由蓄電池為負載進行供電。實測24 h 耗電量為蓄電池儲電量的43%，能夠滿足短期內(nèi)無充電狀態(tài)下設備的供電。

方案二：選取每天灌溉時段為9∶00-17∶00，此時管道水流流速較大，水輪機處于正常工作狀態(tài)。在12 V 輸出電壓、0.5 A輸出電流的負載條件下，發(fā)電系統(tǒng)輸出功率25 W，12 V/24 Ah蓄電池輔助供電，經(jīng)測試9∶00 蓄電池電量最低，電量為69%，13∶30 左右蓄電池電量為100%，此時由發(fā)電系統(tǒng)單獨為設備供電。表10為不同工況下發(fā)電系統(tǒng)的輸出結(jié)果。

表10 發(fā)電系統(tǒng)輸出結(jié)果Tab.10 The output of the generation system

綜上所知，小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)在設計工況下，輸出功率能夠滿足為設備和蓄電池的供電需要，驗證了在蓄電池的輔助下，本系統(tǒng)長期為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設備供電的可靠性。

5 結(jié) 論

（1）本文在特定工況下，通過改變?nèi)~片數(shù)量與葉片偏角，選取得到最佳葉輪模型，實現(xiàn)最大效率利用水能。

（2）設計了一種適合于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設備的小型管道水流發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)電路采用MPPT最大功率點供電策略，使系統(tǒng)工作在最大功率處，并通過試驗驗證了系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)節(jié)過程中供電的可靠性。□