一种丘陵区果园智能光伏重力滴灌协同系统

本发明涉及农业灌溉，尤其涉及一种丘陵区果园智能光伏重力滴灌协同系统。

背景技术：

1、成都丘陵区作为西南地区重要的农产品生产基地，地形起伏大、水源空间分布不均衡，传统灌溉系统适应性差，季节性干旱频发，水资源短缺、灌溉效率低下及能源消耗过高等问题突出。近年来，光伏发电与节水灌溉技术虽已分别在农业中有所应用，但针对丘陵区复杂地形、作物需求与智能化管理的融合系统仍处于起步阶段。

2、目前涉及光伏灌溉或重力滴灌的专利主要包括以下几类：

3、第一类为光伏提水灌溉系统。如中国专利cn206547313u号公开的一种光伏水肥一体化灌溉系统，通过光伏阵列为光伏水泵供电，光伏水泵、施肥机和田间灌溉设备通过管路依次连接，实现太阳能驱动的灌溉与施肥。又如中国专利cn204119914u号公开的一种自动控制节水重力滴灌系统，包括太阳能电池板、中央处理器、储水箱、液位传感器、湿度传感器和灌溉管路。这类系统虽实现了光伏供电与重力滴灌的初步结合，但光伏系统仅作为水泵的供电电源，未实现光伏发电与重力供水在能量流和水流层面的深度耦合；且灌溉决策依赖简单的传感器阈值判断，缺乏基于作物需水模型的动态优化能力。

4、第二类为丘陵山地蓄水灌溉系统。如中国专利cn219248763u号公开的一种基于太阳能光伏发电的智能滴灌系统，水源池设于山坡坡底，数个蓄水池沿山坡坡度均匀向上设于山坡上，每一个蓄水池连接一个滴灌系统，通过水泵逐级提水实现山地灌溉。又如中国专利申请cn202310118569号公开的一种山地丘陵蓄水灌溉系统，通过在不同海拔位置设置多级蓄水池，利用光伏发电站为水泵供电，在灌溉时实现重力作用下的滴灌。然而，该类系统采用多级蓄水池和水泵分级提水，系统结构复杂、建设和维护成本高；且光伏发电与重力灌溉之间的协同仅体现在水泵供电环节，未形成能量自平衡的闭环系统。

5、第三类为丘陵地区重力式滴灌系统。如中国专利申请cn202420062096号公开的一种用于丘陵地区的灌溉系统，将农机肥发酵池、配水池、重力式过滤组件和滴灌管网由高到低依次设置，利用重力势能将发酵液输送滴灌。但该系统仅适用于发酵液灌溉场景，未涉及光伏供电与智能控制，灌溉策略固定，无法根据实时环境变化和作物需求进行动态调节。

6、上述现有技术普遍存在以下缺陷：

7、（1）光伏发电系统与重力滴灌系统之间缺乏能量流与水流的高效协同机制，现有方案中光伏发电仅用于驱动水泵提水，光伏发电的波动性与灌溉需水的时序性之间未建立动态匹配关系，导致光伏发电盈余时无法有效存储利用、发电不足时灌溉系统无法正常运行。

8、（2）灌溉决策智能化程度不足，现有系统多依赖土壤湿度传感器的简单阈值触发灌溉，未建立融合气象数据、土壤墒情、作物生理指标的多源信息融合决策模型，无法实现精准灌溉。

9、（3）缺乏针对丘陵区复杂地形的系统化集成方案，现有系统多为单一功能模块的简单叠加，未充分考虑丘陵区地形高差、水源分布、作物需水规律与能源供应之间的耦合关系。

10、（4）系统的能量自给率与碳减排效益有限，现有光伏灌溉系统中光伏发电与灌溉需水在时序上缺乏协调，清洁能源利用率不高，系统仍需依赖外部电网补充电能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种丘陵区果园智能光伏重力滴灌协同系统，通过集成控制平台实现光伏发电与重力滴灌的能量-水力协同调度，结合基于作物需水模型的智能灌溉决策，提高丘陵区果园灌溉系统的能量自给率、水资源利用效率和运行可靠性。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种丘陵区果园智能光伏重力滴灌协同系统，包括光伏发电子系统、重力滴灌子系统、智能管理子系统和集成控制平台；

3、光伏发电子系统包括光伏阵列和储能单元，光伏阵列用于将太阳能转换为电能，储能单元用于存储电能并在发电不足时释放电能；

4、重力滴灌子系统包括高位蓄水池、灌溉管网和滴灌终端，高位蓄水池设置于果园地势最高处并利用自然高差产生重力水头，灌溉管网自高位蓄水池的出水口沿地势铺设，滴灌终端连接于灌溉管网的末端；

5、智能管理子系统包括感知层、传输层、决策层和执行层，感知层采集土壤墒情数据、气象数据或作物生理数据，传输层用于感知层、决策层和执行层之间的数据传输，决策层根据感知层采集的数据生成灌溉策略，执行层用于控制重力滴灌子系统的运行；

6、集成控制平台分别与光伏发电子系统、重力滴灌子系统和智能管理子系统通信连接，集成控制平台包括能量管理模块和水力调度模块；能量管理模块实时监测光伏发电子系统的发电功率和储能单元的剩余电量，并根据光伏发电预测数据生成能量可用度指标；水力调度模块获取智能管理子系统生成的灌溉策略，并根据能量可用度指标判断可用能量是否满足灌溉任务所需能量；若满足，则按照灌溉策略生成阀门动作序列；若不满足，则水力调度模块在满足果树最低水分需求的约束条件下，调整灌溉策略的灌溉时序或各灌溉小区的分配水量，以匹配当前的能量供应能力，并生成优化后的阀门动作序列；水力调度模块优先保障果树需水敏感期的灌溉需求。

7、优选的，光伏发电子系统还包括最大功率点跟踪控制器和光伏跟踪装置；最大功率点跟踪控制器调节光伏阵列的工作点以获取最大发电功率；光伏跟踪装置包括方位角驱动机构和高度角调节机构，驱动光伏阵列跟踪太阳方位角和高度角变化。

8、优选的，储能单元包括蓄电池组和充放电管理模块；充放电管理模块监测蓄电池组的荷电状态，在光伏阵列的发电功率大于系统实时功耗时将盈余电能存储于蓄电池组，在光伏阵列的发电功率小于实时功耗时控制蓄电池组放电以补充电能缺口。

9、优选的，高位蓄水池的底部与果园内最高灌溉点位之间存在预设高差，预设高差产生的重力水头足以驱动滴灌终端在额定工作压力范围内运行；高位蓄水池的容积根据果园灌溉面积和灌溉周期设定，高位蓄水池的进水口连接有集雨面或外部水源，高位蓄水池的出水口处设置有过滤装置。

10、优选的，灌溉管网包括沿果园地形主坡降方向铺设的主干管道和垂直于主干管道分布的分支管道，分支管道上间隔设置有若干出水支管，各出水支管的末端连接滴灌终端；灌溉管网还包括设置于主干管道与分支管道连接节点处的压力调节阀，压力调节阀根据各灌溉小区的地势高差和预设灌溉压力调节分支管道内的水压。

11、优选的，滴灌终端包括抗堵塞滴头和稳流器；抗堵塞滴头的流道呈迷宫式结构；稳流器设置于抗堵塞滴头的上游侧，内置有弹性膜片和节流孔板，通过弹性膜片的变形调节节流孔板的过流面积，保持抗堵塞滴头的进水压力恒定。

12、优选的，感知层包括土壤墒情传感器、田间气象站和果树茎流计；土壤墒情传感器埋设于果树根区的不同深度土层中，用于测量土壤体积含水量；田间气象站采集空气温度、空气湿度、风速、太阳辐射强度和降雨量数据；果树茎流计设置于果树树干外部，用于采集树干液流速率数据。

13、优选的，决策层包括数据预处理模块、作物需水模型和灌溉决策算法；作物需水模型根据气象数据计算参考作物蒸散量，并结合作物系数和根据土壤含水量确定的水分胁迫系数，计算作物的实际蒸散量；灌溉决策算法根据实际蒸散量以及实时监测的根区土壤含水量确定灌溉需水量，并根据光伏发电子系统的发电预测数据调整灌溉策略。

14、优选的，执行层包括设置于灌溉管网各节点处的电动阀门和阀门控制器；阀门控制器接收决策层的灌溉策略指令并控制电动阀门的开启、关闭及开度；电动阀门为常闭型电磁阀并在失电时保持关闭状态。

15、优选的，水力调度模块的能量约束优化逻辑包括：设原灌溉策略中第个灌溉小区的计划灌溉水量为，对应需水敏感期系数为，其中需水临界期，非敏感期，休眠期；当能量可用度指标大于或等于全部灌溉任务所需能量时，维持原灌溉策略；当处于全部灌溉任务所需能量的60%至100%之间时，优先保障需水敏感期系数的灌溉小区的灌溉水量不变，将非敏感期小区的灌溉水量缩减至原水量的60%~80%，并将非敏感期小区的灌溉时段平移至预测发电高峰时段；当小于全部灌溉任务所需能量的60%时，仅执行需水敏感期小区的最低保障灌溉，暂停非敏感期小区的灌溉任务；水力调度模块采用滚动时域优化策略，每15分钟根据最新的光伏发电预测数据和储能剩余电量更新一次能量可用度指标并动态修正阀门动作序列。

16、因此，本发明采用上述的一种丘陵区果园智能光伏重力滴灌协同系统，具有以下好处：

17、（1）通过集成控制平台实现光伏发电与重力滴灌的能量-水力协同调度，光伏发电盈余时储存电能、发电不足时释放电能补充，并在能量不足时通过优化灌溉时序和水量分配确保系统稳定运行，显著提高清洁能源利用率和系统鲁棒性；

18、（2）通过智能管理子系统的感知-传输-决策-执行闭环架构，融合土壤墒情、气象环境和作物生理等多源信息，实现基于作物需水模型的精准灌溉决策，大幅提升灌溉精准度和水资源利用效率；

19、（3）充分利用丘陵区自然地形高差实现重力自压滴灌，灌溉水完全依靠重力驱动输送，无需水泵加压，大幅降低灌溉系统对电网电力的依赖和运行能耗；

20、（4）形成适用于丘陵区复杂地形的系统化集成方案，各子系统采用模块化设计和标准化接口，可独立安装、调试和运维，便于在不同果园进行复制推广，为西南丘陵区农业的绿色低碳转型提供可复制的技术路径。

21、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。