基于太阳能微灌系统恒压供水自动控制装置研制.docVIP

基于太阳能的微灌系统恒压供水自动控制装置研制 ? ????0引??言 ????微灌具有节水节肥、省工、节能以及对土壤和地形适应性强等特点，微灌系统日益广泛地被应用于发展设施农业、节水农业、生态建设等方面，是农作物高产、高效、优质的重要技术手段。 ????在微灌的过程中，管道中水压或水流的稳定性对灌溉均匀性，尤其是对文丘里施肥装置、水力驱动施肥装置等自动施肥装置的施肥性能[5-9]，有着显著的影响。目前，一些中小规模的果园、温室、苗圃等直接以自来水管为水源，或将利用建设于高处的蓄水池中的水作为水头进行自流滴灌。但自来水管中的水压会随着小区居民的用水量波动，特别是在用水高峰期甚至可能会因供水不足而不能提供滴灌所需的水压；蓄水池的水位会随着滴灌的进行逐渐降低，其水头压力也不断下降，从而使得整个滴灌过程中的灌溉、施肥效果不一致。因此有必要在微灌系统中采取恒压措施，以使在灌溉全过程中灌水或施肥均匀、稳定。对此，很多科研人员也开展了相关的研究，主要集中于根据灌溉需水量实时调节出水量的恒压灌溉系统和为灌溉管网实时提供稳定水压的恒压供水系统，这些系统均采用变频器对水泵机组调频调速的方式实现恒压控制，并取得了较好地实际应用效果，但对于中小规模果园、温室、苗圃等的微灌系统而言，其成本相对较高，且需电力供应，从而限制了其适用性。为此，本文针对此类微灌系统，从易于应用推广的角度出发，设计了一套以太阳能供电的恒压供水装置，以实现整个灌溉过程的均匀性和稳定性。 ????1总体方案设计 ????1.1??设计需求分析根据调研和实际分析知，装置的设计应满足以下要求：1）在任何时刻均能为滴灌提供水源，并且在整个滴灌过程中使管道中的水压保持相对恒定；2）能适用于野外及无电力到达的地区；3）有较高的自动化程度，整个控制过程无需人力投入，以节约劳力成本；4）造价成本相对较低，兼具实用性和经济性，易于在广大农户中推广应用。 ????1.2总体方案 ????根据设计需求，并考虑到滴灌实时需水量不大等因素，提出了如图1所示的装置原理框图。该装置采用以太阳能供电驱动小功率直流水泵的方式，将水提到建设于高处的蓄水池中，并利用蓄水池中的水作为水头进行自流滴灌，同时通过控制蓄水池的水位维持在某一恒定值来实现恒压供水。在滴灌过程中，实时检测蓄水池的水位，当水位低于某一设定值时则控制水泵进行提水。由于实际应用中，蓄水池与水泵控制端有一定的距离，为便于安装和布线，采用无线通信模块实现蓄水池水位检测与水泵控制的无线通信与控制，而且采用另一个小功率太阳能电池板为蓄水池端的水位检测电路及无线通信模块供电。为最大程度地利用太阳能，采用相应传感器检测太阳辐射强度，并根据检测值与蓄电池的荷电状态，选择直接以太阳能电池板或蓄电池为水泵控制电路供电。为降低控制电路的功耗，装置采用低功耗单片机MSP430F2132作为控制器，同时采用分时分区供电的低功耗设计手段进行软硬件设计。 ????2光伏容量设计 ????光伏容量设计的基本原则是，在充分满足负载用电需求的前提下，尽量减少太阳电池方阵和蓄电池的容量，以达到可靠性和经济性的最佳结合。光伏容量的配置要能满足每次滴灌时500 L的灌溉定额，以及连续7d无日照情况下系统能正常工作的要求。 ????2.1??负载耗电量的估算 ????负载耗电量的估算，是设计光伏系统容量的前提和关键因素之一。本装置的主要耗电负载是执行提水动作的水泵，因此以水泵的耗电量进行估算。本文根据实际应用需求分析，选择12V供电的直流隔膜泵进行提水，其具体参数如表1所示。 ????为保证系统在任何时候都能可靠工作，以每天进行一次滴灌的灌溉频率来估算耗电量，即需要水泵每天要工作1.67 h提水500 L到蓄水池中。负载每天的耗电量QL可用式(1)计算 ????太阳能电池板的功率可用式(2)计算得出 ????由于水泵的工作电压为12V，选取额定电压为12V的铅酸蓄电池，其浮充电压为14.5 V。对晶体硅太阳能电池组件防反充二极管压降可取为0.7 V，线损引起的压降通常可取1V。安全系数在此取k=l.2。 ????太阳能电池板的输出电流主要取决于累年各月平均辐照量，其最大、最小电流可通过式(3)和式(4)计算 ? ????将相应数据代入式(2)可计算出太阳能电池方阵的功率P=47.2 W。结合考虑市面上常见的太阳能电池组件及太阳能电池的转换效率，选择峰值功率为60 W、峰值电压为18.0 V的单晶硅层压太阳能电池板。 ????2.3蓄电池容量的确定 ????蓄电池的容量可用式(8)进行计算 ? ????3水泵的控制 ????3.1??水泵的启停控制 ????由于水泵是感性负载，在上电瞬间会有一个很大的启动电流，掉电瞬间会存在一个很大的反向电动势，从而也会引起一个很大的反向电流，即在水泵的上电或掉