一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的方法及其装置

1.本发明属于旱区农业节水灌溉与可再生能源高效利用领域，特别涉及一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的方法及其装置。


背景技术：

2.近年来光伏滴灌系统在偏远、无电力供应的农田灌溉得到长足的发展，是未来农业灌溉发展趋势，但是太阳能具有不稳定、间歇性的特点，导致光伏滴灌系统无法在稳压下正常工作，尤其是太阳辐照强度较弱时，灌溉管路压力无法满足滴头工作需求，辐照强度较大时，由于灌溉面积和灌水装置的限制，多余能量无法充分利用，导致光伏滴灌系统能量利用率极低。针对目前的光伏滴灌系统整体效率较低，太阳能利用不充分，有学者考虑加装蓄电池、蓄水池等储能装备，导致系统造价偏高，蓄电池极易污染环境，与太阳能清洁能源初衷相悖，光伏灌溉系统流量不可控，导致目前光伏滴灌系统自动化程度偏低，耗水耗能高，推广较为困难。因此亟需一种能够根据太阳辐照强度自动调节管道流量的光伏滴灌装置，来解决光伏滴灌系统能量利用率低，灌溉系统智能化不足的问题。


技术实现要素：

3.针对目前光伏滴灌系统能量利用率低、流量不可控、智能化程度低的问题，本发明提供了一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的方法，该方法根据太阳辐照强度通过自动调节阀门开度，减少支管流量增大支管压力，增大光伏水泵的工作区间，提高光伏水泵提水系统的灌溉水量，实现灌溉支管流量的微观调节。
4.实现上述任务，本发明采用以下技术方案：一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的方法，通过光伏组件将太阳能转化为电能为光伏水泵提供动力，通过plc阀门控制系统中的plc控制测控一体阀阀门开度，通过建立不同辐照强度下测控一体阀的阀门开度与太阳辐照强度、水泵流量和扬程之间的数学模型，并输入plc控制器中，根据不同灌溉管路压力需求，通过压力传感器检测并反馈至plc控制器中，通过数学模型以及目标压力计算出阀门应调至的开度情况，实现滴灌系统的管路流量精准调节。
5.所述的不同辐照强度下测控一体阀的阀门开度与太阳辐照强度、水泵流量和扬程之间的数学模型具体如下：
6.光伏组件单位面积输出功率与太阳辐照强度的关系的确定如公式(1)所示：
7.pa＝η1g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
8.式中pa为单位面积光伏组件输出功率，w；η1为光伏组件转化效率，光伏组件的输出功率和其面积有关。
9.光伏组件输出功率可由公式(2)计算得出：
10.p＝s
p
paꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
11.式中p为试验中光伏组件的输出功率，w；s
p
为光伏组件的电池板面积，m2。
12.在固定光伏组件输出功率下，水泵的扬程与流量为反比例函数关系，光伏水泵效
率η2满足式(3)：
[0013][0014]
式中ρ为水的密度，取值1
×
103kg/m3；g为重力加速度，取值9.8m2/s；q为水泵流量，m3/s；h为水泵扬程，m。
[0015]
光伏水泵的扬程与流量在阀门全开时与光伏组件输出功率满足式(4)、(5)：
[0016]
q1＝a1p2 b1p c1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0017]
h1＝a2p2 b2p c2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0018]
式中q1为阀门全开时光伏水泵流量，l/h；h1为阀门全开时光伏水泵扬程，m；a1、a2、b1、b2、c1、c2为模型参数，与管路尺寸、阀门种类相关。
[0019]
扬程-阀门开度模型与流量-阀门开度模型满足logistic回归方程，其形式如式(4)、(5)所示：
[0020][0021][0022]
式中hn、qn分别为管路进水口出的压力与流量；a1、a2、x0、m为模型参数，随着光伏水泵输入功率的改变，四个参数数值同时有规律变化；k为阀门开度。
[0023]
本发明还有一个目的是提供一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的装置，包括蓄水池、光伏水泵、光伏组件、灌溉主管、plc阀门控制系统、电线、测控一体阀、灌溉管网、灌溉支管、压力补偿式滴头，所述的光伏水泵安装在蓄水池的旁边，光伏水泵内置有mppt太阳能控制器，其出水口与灌溉主管的一端连接；所述的灌溉主管的另一端与灌溉管网连接；所述的灌溉管网上均匀的分布有若干条支管，每条支管与测控一体阀的进水口连通，所述的测控一体阀的出水与灌溉支管连通；所述的灌溉支管上安装有若干压力补偿式滴头。
[0024]
所述的光伏组件通过mppt太阳能控制器为光伏水泵提供动力来源。
[0025]
所述的测控一体阀由电机、螺杆、柱塞导轨、柱塞、橡胶软垫、固定螺母、进水收缩管和阀体外壳、阀体进水管、阀体出水口组成，所述的阀体外壳的顶部安装有电机，下端设置阀体进水管，中间端设置有阀体出水口，所述的电机的动力轴与螺杆的上端连接，所述的螺杆的下端穿过柱塞导轨，并与安装在柱塞导轨内的柱塞上端的内置螺纹连接，所述的柱塞导轨固定安装在阀体外壳内，所述的柱塞的下端通过固定螺母安装有橡胶软垫；所述的阀体进水管位于阀体外壳内的一端上设有进水收缩管。
[0026]
所述plc阀门控制系统由plc控制器、压力传感器和辐照强度-阀门开度数学模型组成组成，所述的plc控制器分别通过导线与测控一体阀的电机、压力传感器、光伏组件连接。
[0027]
进一步讲，所述的一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的装置，其特征在于，
所述的柱塞下端安装橡胶软垫与进水收缩管相对应。
[0028]
进一步讲，所述的一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的装置，其特征在于，所述的柱塞在螺杆的推动下可以在柱塞导轨上直线运动。
[0029]
本发明采用一种角式的测控一体阀，安装在光伏水泵提水系统灌溉管网支管的进水口处，依据支管的灌溉压力的需求，通过调节阀门开度实现在不同辐照强度下，保证灌溉管网正常运行的目的；通过上述辐照强度-阀门开度数学模型，计算出在不同辐照强度、目标压力下阀门的最优开度，并且能够实时调控，提高系统整体效率的同时实现灌溉流量可控，为智慧农业的智能化、绿色化提供技术支撑。
[0030]
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
[0031]
1.本发明采用测控一体阀控制光伏水泵提水系统输水管网支管流量，当太阳辐照强度较小时，通过自动调节阀门开度，减少支管流量增大支管压力，增大光伏水泵的工作区间，提高光伏水泵提水系统的灌溉水量，实现灌溉支管流量的微观调节。
[0032]
2.本发明采用测控一体阀控制各个灌溉支管开闭，当太阳辐照强度较大时，通过调节阀门开闭控制灌溉支管的数量，增加灌溉面积，在保证每天支管上压力补偿式滴头正常工作的前提下，增加灌溉支管数量，提高太阳能的充分利用，一天之内根据辐照强度的变化特点，进行分区灌溉，保证灌溉的均匀的同时，进一步优化光伏水泵的工作区间，适合与光伏滴灌系统的大面积灌区的宏观调控。
[0033]
3.本发明根据测控一体阀的特点，建立辐照强度-阀门开度的数学模型，对于灌溉管网的流量与压力的微观调控与微观调控，对于不同的太阳辐照强度下，根据支管和压力补偿式滴头工作压力需求，plc控制器通过压力传感器监测数据，决策出最优阀门开度，实现光伏滴灌系统太阳能利用最大化，进一步提高整个系统的效率。
附图说明
[0034]
图1为本发明装置的整体结构示意图；
[0035]
图2为测控一体阀的结构示意图；
[0036]
图3为根据太阳辐照强度自动调节管道流量光伏滴灌装置设备连接示意图；
[0037]
图4为装置控制及调节方法示意图；
[0038]
图5为单位面积辐照强度与光伏组件输出功率关系示意图；
[0039]
图6为不同辐照强度下阀门开度与光伏水泵流量关系变化示意图；
[0040]
图7为不同辐照强度下阀门开度与光伏水泵扬程关系变化示意图；
[0041]
图8为不同灌溉负荷下单条灌溉管路优化前后灌溉流量变化示意图；
[0042]
图9为晴天下不同灌溉支管工作数量随太阳辐照强度变化示意图。
[0043]
图中标号代表：1-蓄水池、2-光伏水泵、3-光伏组件、4-灌溉主管、5-plc阀门控制系统、6-电线、7-测控一体阀、8-灌溉管网、9-灌溉支管、10-压力补偿式滴头、51-plc控制器、52-压力传感器、71-电机、72-螺杆、73-柱塞导轨、74-柱塞、75-橡胶软垫、76-固定螺母、77-进水收缩管、78-阀体外壳、79-阀体进水口、710-阀体出水口。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的结束方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
实施例1
[0046]
一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的方法，通过plc阀门控制系统中的plc控制测控一体阀阀门开度，通过建立不同辐照强度下测控一体阀的阀门开度与太阳辐照强度、水泵流量和扬程之间的数学模型，并输入plc控制器中，根据不同灌溉管路压力需求，通过压力传感器检测并反馈至plc控制器中，通过数学模型以及目标压力计算出阀门应调至的开度情况，实现滴灌系统的管路流量精准调节，其微观调控流程如图4a所示。
[0047]
所述的不同辐照强度下测控一体阀的阀门开度与太阳辐照强度、水泵流量和扬程之间的数学模型具体如下。
[0048]
通过光伏组件将太阳能转化为电能为光伏水泵提供动力
[0049]
光伏组件单位面积输出功率与太阳辐照强度的关系的确定如公式(1)所示：
[0050]
pa＝η1g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0051]
式中pa为单位面积光伏组件输出功率，w；η1为光伏组件转化效率，光伏组件的输出功率和其面积有关。
[0052]
光伏组件输出功率可由公式(2)计算得出：
[0053]
p＝s
p
paꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
式中p为试验中光伏组件的输出功率，w；s
p
为光伏组件的电池板面积，m2，此处取值为3m2；
[0055]
在固定光伏组件输出功率下，水泵的扬程与流量为反比例函数关系，光伏水泵效率η2满足式(3)：
[0056][0057]
式中ρ为水的密度，取值1
×
103kg/m3；g为重力加速度，取值9.8m2/s；q为水泵流量，m3/s；h为水泵扬程，m。
[0058]
光伏水泵的扬程与流量在阀门全开时与光伏组件输出功率满足式(4)、(5)：
[0059]
q1＝a1p2 b1p c1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0060]
h1＝a2p2 b2p c2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0061]
式中q1为阀门全开时光伏水泵流量，l/h；h1为阀门全开时光伏水泵扬程，m；a1、a2、b1、b2、c1、c2为模型参数，与管路尺寸、阀门种类相关。
[0062]
扬程-阀门开度模型与流量-阀门开度模型满足logistic回归方程，其形式如式(6)、(7)所示：
[0063]
[0064][0065]
式中hn、qn分别为管路进水口出的压力与流量；a1、a2、x0、m为模型参数，随着光伏水泵输入功率的改变，四个参数数值同时有规律变化；k为阀门开度。
[0066]
由式(1)～(7)建立辐照强度-阀门开度数学模型，建立水泵扬程与流量随开度变化的精准控制模型，根据太阳辐照强度的变化通过控制测控一体阀实现单条灌溉管路的流量微观调控。
[0067]
针对多条灌溉管路，灌溉支管与主管流量关系见式(8)
[0068][0069]
式中n为支管条数即灌溉面积分区数量，q
主
为主管流量，即为光伏水泵出水口流量；q1、q2、
…
、qn分别为各个支管的进口处流量。
[0070]
当辐照强度较大时，光伏水泵流量q
主
较大，由于灌溉末端补偿式滴头的原因，现有管路灌溉总流量固定，通过增加测控一体阀的数量，增加灌溉面积，实现光伏滴灌系统的再分配，进而提高系统的太阳能利用率，其宏观调控流程如图4b所示。
[0071]
本发明的实施例中，光伏组件选取两块尺寸为1640mm
×
982mm
×
40mm(长*宽*厚)，额定功率为260w的太阳能单晶硅电池板；光伏水泵选用型号为s243t-30，额定功率为260w，水泵电压：dc24v(18v～45v)；测控一体阀结构如图2所示。通过试验得出该阀体的辐照强度-阀门开度数学模型，试验地点为陕西杨凌西北农林科技大学水力大厅，根据太阳辐照强度与光伏板输出功率的数据建立单位面积辐照强度与光伏组件输出功率分段函数，其示意图如图5所示；以上述试验装置，测出不同辐照强度、不同阀门开度的光伏水泵的流量与扬程，完善式(1)～(7)的数学关系，完善辐照强度-阀门开度数学模型，为光伏水泵提水系统微观调节与宏观调节提供理论基础，不同辐照强度下阀门开度与光伏水泵流量与扬程关系变化如图5、6所示。
[0072]
光伏组件输出功率与太阳辐照强度的关系的确定如式(9)
[0073][0074]
光伏水泵的扬程与流量在阀门全开时与光伏组件输出功率满足式(9)、(10)：
[0075]
q1＝-0.0190p2 11.9p 370
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0076]
h1＝-8.570p2 0.0760p 0.0876
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0077]
光伏组件模拟器输出功率与光伏水泵流量阀门开度模型参数a1、a2、x0、n关系公式如表1所示。
[0078][0079]
同理光伏组件模拟器输出功率与光伏水泵扬程阀门开度模型参数a1、a2、x0、n关系公式如表2所示。
[0080][0081]
进一步讲，所述测控一体阀采用角式结构，流道简单，内部不易产生沉淀堵塞。
[0082]
进一步讲，所述辐照强度-阀门开度数学模型，由试验得出，其中光伏水泵流量、扬程与阀门开度满足logistic回归方程。
[0083]
进一步讲，所述plc控制器内设辐照强度-阀门开度数学模型，组成plc阀门控制系统。
[0084]
本发明的一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的方法，是针对一天的辐照强度正态分布变化趋势，上午与下午，辐照强度相对较小，中午前后辐照强度较大，通过测控一体阀调节阀门开度，在早上与晚上辐照强度较弱时，关闭部分灌溉支管，满足小面积作物的灌溉需求；当中午辐照强度较大时，打开更多灌溉支管的阀门开关，满足大面积作物的灌溉需求，通过不同时刻的灌溉面积分区轮番灌溉实现滴灌系统的管路流量的宏观调控，其调节方式如图9所示。当辐照强度较小时，光伏水泵提供管路压力较低，无法满足滴头最低工作压力，通过电机调节阀门开度大小，改变管路中流量与压力，根据水泵的工作过程中流量-扬程(压力)关系曲线，管路压力-流量曲线指的是在阀门开度的影响下管路中实际的压力-流量曲线，当这两个曲线有交点，水泵才能工作。通过调小阀门开度增加管路水压，满足滴头的最小压力需求；当辐照强度变化幅度较小时，通过改变阀门开度，实现管道流量与压力的互相转化，根据太阳辐照强度通过自动调节阀门开度，减少支管流量增大支管压力，增大光伏水泵的工作区间，提高光伏水泵提水系统的灌溉水量，实现灌溉支管流量的微观调节，其在不同目标压力下，优化前后效果如图8所示。
[0085]
实施例2
[0086]
参见图1～2，一种根据太阳辐照强度自动调节滴灌流量的装置，由蓄水池1、光伏水泵2、光伏组件3、灌溉管网8、测控一体阀7、plc阀门控制系统5、电线6、输水主管4、灌溉支管9、压力补偿式滴头10组成。
[0087]
所述光伏水泵2安装在蓄水池旁，其出水口与输水管网8连接；所述输水管网8包括输水主管4和灌溉支管9；所述的输水主管4的一端连接光伏水泵2，另一端连接灌溉支管组
成输水管网8；所述灌溉支管9进水口出加装测控一体阀7，用于控制进入灌溉支管9流量大小，出水口加装等间距压力补偿滴头10，用于田间灌溉；所述测控一体阀7，上端安装电机71，用于驱动螺杆72，柱塞74沿着柱塞导轨73上下移动，在柱塞74上套有橡胶软垫75，并用螺母76进行固定，固定螺母76下方装有进水收缩管77，上述结构集成在阀体外壳78内，阀体下端为进水管79，上端为出水口710。
[0088]
所述的plc阀门控制系统5包括plc控制器51、压力传感器52和辐照强度-阀门开度数学模型组成，plc控制器51连接测控一体阀7，通过压力传感器52监测灌溉支管9压力变化，结合plc控制器51中辐照强度-阀门开度数学模型，调节测控一体阀7的阀门开度，达到灌溉支管9灌水压力需求。
[0089]
如图3为根据太阳辐照强度自动调节管道流量光伏滴灌装置设备连接示意图，图中plc通过rs485接口读取压力变送器中模拟量，通过转化为管道压力，带入阀门开度模型中，计算出最优阀门开度，通过输出口y0、y1、y2控制测控一体阀中电机转动，调节至计算出的阀门开度。
[0090]
所述的光伏滴灌系统微观调控，针对单条微灌管路，末端加装压力补偿式滴头10，根据灌溉水力计算，管路需满足灌溉的目标压力才能正常工作。当辐照强度较小时，由于管路压力不足，无法正常灌溉，通过调节测控一体阀7阀门开度，提高管路压力，实现灌溉管网8的正常灌溉，优化效果由图8所示。
[0091]
所述光伏滴灌系统宏观调节，针对多条灌溉支管9，当辐照强度较大时，通过调节测控一体阀7的开闭，从而增加灌溉面积，当辐照强度较弱时，通过调节测控一体阀7的关闭，减少灌溉支管9的灌溉条数，进而减少灌溉面积，通过灌溉面积的轮番分区灌溉，由图9所示，针对固定的光伏水泵2，实现太阳能的充分利用，提高系统的能量利用效率。
[0092]
本发明公开了一种根据太阳辐照强度自动调节管道流量的装置，通过光伏组件带动水泵将灌溉水压入灌溉管网，灌溉管网由多个灌溉支管组成，在各个灌溉支管的进水口安装测控一体阀，测控一体阀通过改变阀门开度调节输水主管与灌溉支管流量与压力，当太阳辐照强度较大时，自动打开多个测控一体阀，增加灌溉支管条数，从而增加灌溉面积，实现多余辐照强度充分利用的目的；当太阳辐照强度较小时，自动关闭部分阀门，增加管道压力，满足灌溉对压力的需求。实现太阳辐照强度较小时通过减少流量增加管道压力满足灌溉管路压力需求；本发明采用太阳能作为灌溉动力，在不同的辐照强度下，利用智能测控一体阀调节灌溉管路流量与压力，实现灌溉管网流量和压力的自动调节，满足灌区的灌溉需求；该装置有效结合太阳能正弦变化特性，利用测控一体阀的阀门开闭与开度变化，实现太阳能在不同时段的充分有效利用，提出了灌溉流量在宏观与微观的互补调节方法，提高整个光伏水泵提水滴灌系统的能量利用效率。
[0093]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。