基于太阳能的生态挡土墙自动灌溉系统研究

2020-05-05李秉晟李就好袁以美可欣荣

广东水利水电 2020年4期

李秉晟，李就好，王浩，袁以美，可欣荣

(1. 华南农业大学水利与土木工程学院，广东广州 510642；2. 广东水利电力职业技术学院，广东广州 510635；3. 华南农业大学工程学院，广东广州 510642)

随着当今社会对生态和环保要求的提高，常规的挡土墙难以满足需求，生态挡土墙作为一种新型的挡土墙，既能保证受力，又具有生态、环保的特点，近年来在城市河涌改造等工程中得到了广泛应用[1-6]，但由于受已有建筑物、城市道路等各种条件限制，一般河涌的岸墙比较陡直，为此开发了一种植绿装配式挡土墙，不仅具有生态功能，也有助于落水者自救，如图1所示[7]。

图1 植绿型混凝土挡墙示意

从图1可以看出，越靠近上部越植物越不易获得水分。为了保证生态景观，需要进行适当灌溉，即能根据土壤湿度进行自动灌溉。提水灌溉传统上是用电带动水泵抽水，需要拉电线到水源处，或者用柴油(汽油)发动机做动力，使用和维护成本很高。太阳能作为一种可再生绿色能源，国内一些学者进行了利用基于太阳能自动灌溉系统设计，如车保川[8]设计了一种基于单片机的低功耗太阳能灌溉系统，该系统采用单片机控制整个系统，利用变频器可调节输出功率，以降低功耗和提高系统的可靠性。束文强等[9]利用单片机作为控制器的核心，设计出一种可根据土壤温湿度等参数的变化而进行自动灌溉且具有显示功能的系统。李双等[10]提出一种基于STM8S 单片机的太阳能抽蓄灌溉自动控制系统的设计方案。李淳桢等[11]设计了一种用于抽蓄灌溉的太阳能板电源电路，该电路通过改变各个开关的状态可以实现蓄电池的充电和放电过程，可以根据充电和放电的需要使2块蓄电池工作在串联模式和并联模式。傅秋艳等[12]对一种新型太阳能集水蓄水智能化微润灌溉系统进行了适宜性试验研究，以便能在维持土壤最适湿度的同时减少耗水量。邱林等[13]设计了农田智能化灌溉系统的太阳能供电电源功能模块、太阳能智能化控制灌溉模块及其子功能模块，达到利用太阳能光伏技术实现智能化精准灌溉。李光林等[14]研制了基于太阳能的柑桔园自动灌溉与土壤含水率监测系统，试验表明该系统能实现柑桔园区的自动灌溉与土壤含水率的自动监测。阮三桂等[15]设计了一套自动控水灌溉系统，应用该控水灌溉系统进行田间试验。李文斌等[16]通过建立太阳能光伏提水试验区进行研究蔗区太阳能辐射、发电量、提水量的月分配规律。刘柯楠等[17]以研发的太阳能驱动喷灌机组为平台，通过对机组工作方式和行走驱动理论进行分析，构建了一种太阳能驱动喷灌机组动力需求与光伏功率匹配设计方法。

以上在利用太阳能作为灌溉动力研究方面做出了探索和实践，为本研究提供有益的参考，但都是针农作物灌溉需求进行的，因此需要研究与生态挡墙相适应的自动灌溉系统。本文研发了一种基于太阳能的自动灌溉系统，自动监测土壤湿度，并根据土壤湿度，实现对植物的实时灌溉，以确保植物再各阶段都处于良好的生长环境中。

1 灌溉控制系统优化

基于单片机的控制系统，在灌溉控制系统应用很广，但要选择即性能可靠又要成本合理的单片机，需要根据工程的要求组合考虑。本文研究的单片机控制的灌溉系统，主要对生态挡土墙的植被进行补充灌溉，因此一般水源较近，灌溉的频率也较低，主要考虑系统运行的可靠性、稳定性。

1.1 单片机最小系统

本系统采用的Stm32F103CBT6，具有72 MHz的工作频率，集成了存储器、电源管理、模数转换器、DMA、调式模式、计算单元和封装等模块，具有低功耗，并且芯片用途广泛，已经普遍应用到电力电子系统等方面，其最小系统如图2所示。

图2 单片机电路示意

1.2 基于土壤水分的控制系统

工程中需要根据土壤水分控制灌溉，土壤水分通过传感器采集。本研究采用了土壤温湿度一体化数字传感器RS-WS-N01-TR，该传感器受土壤含盐量影响较小，适用于各种土质，并且可长期埋入土壤中，耐长期电解，耐电腐蚀，抽真空灌封，完全防水。

为了与水分传感器连接，研制了土壤水分传感器与测控模块的硬件连接电路。土壤温湿度模块采用RS485与测控模块连接，最大可同时连接32路传感器。其RS485连接转换电路如图3所示。

土壤湿度采集时，通过RS485读取土壤湿度变送器输出的土壤湿度，利用单片机单片机ADC功能对电池电压进行数模转换，当单片机控制引脚输出高电平时，控制三极管导通，驱动水泵接触器吸合，直流电机供电开始灌溉，当单片机控制引脚输出低电平，水泵关闭。当电池电压过低时，即是土壤湿度低于设计值需要灌溉，但仍禁止水泵开启。

2 太阳能供电电源系统

2.1 蓄电池及容量选择

为了保证系统在一年四季的气候条件下都能维持系统正常工作，因此，在选择太阳能储蓄电池时，电池需要满足放电性能好。同时作为太阳能电池板采集系统白天储存采集的能量，电池供电系统将长期处于边充电边放电的工作状态，故电池必须满足浮充特性，具有良好的充电特性。表1中对几种常见的蓄电池特点进行了对比，并举例了他们各自的优点、缺点和用途。

表1 各种类蓄电池特点对比

在对各蓄电池综合比较之后，考虑野外工作环境，最后选择铅酸蓄电池作为储能电池。根据蓄电池通用规格设计实际选取容量为100 Ah，额定电压12 V铅酸蓄电池，较标称多出6.15 Ah保证一些短时未计入核算负载。将蓄电池充满电后输出电压为13.5 V，充满放完全阶段点发幅度为10.5～14.5 V。

2.2 太阳能电池板的选择与计算

目前，晶体硅材料是市场上最重要的光伏材料，可分为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池板。单晶硅电池板的光电转换效率一般为16%，最大可达25%，是所有类型太阳能电池中光电转换效率最高的，而且还采用钢化玻璃和硅钢防水树脂封装，坚固耐用。而多晶硅电池板的光电转换效率则要低一些，一般在13%左右，使用寿命也要比单晶硅电池板短。综合考量，采集系统设计采用单晶硅太阳电池板。

设系统总功耗为P，系统全天工作时长为t，则每天蓄电池耗电量应为：

(1)

式中W为每天的耗电量,W；P为系统总功耗,W；t为工作时长,h；为电路功耗损失系数。

年平均日照时数H可按式(2)计算：

(2)

其中Qm为当地年辐射总量,kcal/cm2，经过查阅气象部门提供的数据，广州地区一般取值120 kcal/cm2； ε是2℃、AM1.5光谱时的辐照度，取0.1 W/cm2；1.63为Wh与kcal单位转化系数，Wh/kcal。

太阳能电池组件实际使用功率为：

(3)

式中W蓄电池的耗电量；H为年平均日照实数。

在实际工程中，一般太阳能电池板输出充电电压应该大于蓄电池的工作电压25%左右比较合适，因此，衡量利弊，最后采用功率为100 W、空载充电电压17.5 V、输出电流5.71 A、尺寸1 200 mm×550 mm的单晶硅太阳能电板。为了满足24 V直流水泵的供电需求，利用2个17.6 V/100 W太阳能板(带充电控制器)和2个12 V/100 Ah铅酸电池，组成太阳能供电模块。为了保证充电和延长电池寿命，采用1个太阳能板、1个充电控制器、1个12 V电池为一组，进行独立充电控制，电源功率输出采用串联方式输出24 V， 24 V电压接入单片机测控板，为水泵提供功率电源。

太阳能板输出电流通过充电控制器对12 V铅酸蓄电池进行充电，充电控制器不断检测蓄电池的工作状态，决定铅酸蓄电池的充电电流，防止铅酸蓄电池过充，单片机同时在不断检测铅酸蓄电池的两端电压，当电池电压过低时，水泵不能工作，产生报警信息，防止铅酸蓄电池过放损坏。