基于风光互补与毛细现象灌溉的光感农业大棚

胡士迈 滕道祥

摘 要

该系统以MSP430单片机作为的控制中枢，通过实时检测温室外光照强度通过控制芯片的数据处理后，优化调整太阳能电池板的对光位置，在满足室内植物生长需要的光照强度下增加了光伏发电量。此外，利用该系统可以采集大棚内部温度、土壤湿度等环境数据，根据植物土壤湿度的变化进行合理地毛细灌溉，从而有效提高植物的生长速度并且减少水资源的浪费。

关键词

风光互补;毛细现象;夜间增光;智能调节

中图分类号： S688.1                  文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.109

1 研究背景

随着人们对蔬菜水果等需求日益增大，跨季种植就成了一个必须克服的问题，而跨季种植的必要设施是什么呢？那就是温室大棚，经过多年的发展，大棚种植已经是现代农业构成的非常重要的一部分，是许多跨季植物的根本保证。然而目前国内外现有的蔬菜大棚一般采用光伏发电以及国家电网供电，能量来源非常单一并且需要大量的人工操作极大地增加了人力成本，当遇到一些特殊情况大棚的日常工作即会受到极大的制约。此时的整个工作系统将不得不陷入瘫痪状态，这真的是现代化大棚应该出现的问题吗，依赖于单一的能量来源以及劳累的人工操作的大棚，依旧不是现代化的。这时就需要一个更加稳定、智能的温室大棚系统，去保证能量来源的多元性，操作的便捷性。在东部沿海和西北等地区风能与太阳能储备极为充足，具备架设太阳能板以及风力发电机的条件。在保证作物正常生长的同时增加系统能量来源调高系统的稳定性;在保证作物供水需求的同时采用精准毛细灌溉减少水资源的浪费。

2 设计方案

2.1 供电系统

风能、光伏互补发电是整个系统能量来源的重要组成部分，主要经过风力发电机、光伏发电板组综合发电通过充电装置的稳压、限流后存储在系统的蓄电电组内。风力发电机和光伏发电板组的架设位置示意图如图1所示，大棚的两边安置垂直轴风力发电机，关于安置密度按照所在地区的大棚周围空间、风能储备情况、大棚密度等数据进行综合分析来确定垂直轴风力发电机的安装密度。根据大棚的高度、周围风力大小来确定安装垂直轴风机的高度及使用风机的规格、大小。在大棚顶部安置光伏发电板，根据蔬菜的生长需要，选择光伏板发电板的规格及安装密度。

2.2 供水系统

水资源是植物生长的必备资源，但是传统的大棚采用的大多是沟灌的方式为蔬菜进行灌溉，需要大量的灌溉水的同时水资源的利用率却非常低。沟灌的灌水量大、灌水压力高，灌水不均匀，导致对土地冲击大，容易造成土地土壤和肥料的流失。这也导致了使用大棚种植农户需要一年更换一次大棚位置并且要对土地进行深耕的问题。一旦需要一年更换一次大棚将该会导致大量的资源浪费。因此必须针对源头下手，改變传统的灌溉方式，采用毛细灌溉（毛细灌溉示意图如图2）。由毛细管束连接水体与土体或盆土，实现对植物的可控、最佳供水供肥;可节省能源、简化管理，还可对土壤通气、排水、灭虫;为免耕法和自动化种植创造了条件。

2.3 控制终端

大棚的控制终端主要由单片机以及多种传感器组成，具体实施方式是从室外光强以及室内温湿度入手，由两对光敏元件和温湿度传感器采集信号，经电桥电路和比较器处理，将脉冲送到单片机，实现对室外光强以及室内温湿度的实时监测，经过MCU单片机内部数据的处理与运算并用LCD显示出来。信号采集由温湿度传感器与MCU单片机构成。由传感器与单片机的信号交流实现快速精准的对室内温湿度实行监控。温湿度的变化数据实时传输至单片机内部存储系统进行数据滤波，将滤波后的温湿度加入系统环境调整中。操控部分，采用人工操控和自动控制两种操作模式，在正常情况下可由系统自行操控，在特殊情况下也可切换为手动控制。显示部分，显示屏共四行，每行16个字符。第一行为标题：光感智能大棚。第二行：Temperature：XX.X℃。意思是：温度，目前室内的实时温度。第三行：Humidity：XXXX。意思是目前室内土壤湿度。第四行：Mode Switch：XXXX。意思切换操作模式。LCD显示。液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。光伏板运动部分主要由控制电路、舵机、MCU组成。由光敏元件检测外界光强的改变，经过MCU单片机进行数据处理，进而控制舵机进行调整光伏板到合适位置。（控制终端功能图如图3所示）

3 功能的实现与未来展望

光伏板的运动与毛细管供水是本设计的核心内容。将外界光强与植物需求联系起来，通过对外界光强的实时测量以及精细分段来对应改变光伏板的位置为室内植物提供最适宜生长的光照强度。通过毛细现象来作为植物供水方式，当监测到土壤湿度湿度不足时通过土壤中的毛细管来为植物补充水源。系统能量来源由太阳能板的光伏发电与风力发电机的风力发电进行结合供给，利用风光互补的供电方式增强系统稳定性，当电力充足时可将多余电力储存在蓄电池中，当光伏板与风力发电机实时提供电力不足时则使用蓄电池内储存的电能为系统供电。通过控制测量电路、太阳能光伏板、风力发电机、毛细管组成了整个光感智能大棚系统。

随着硅材料光伏发电板技术的不断创新与发展，发电效率将逐步提高，发电量也会不断增多，极大地增强了未来光感智能大棚的可持续发展能力。随着人们对跨季蔬菜需求量的越来越大，未来温室大棚的发展必将走向现代化、智能化方向。温室大棚的需求将越来越大，大棚的稳定性、易操作、节能性等特点将尤为重要。

4 结语

节能性、稳定性、便捷性将会是未来大棚发展的新方向，智能光感大棚必定会成为未来大棚的发展方向。随着光伏发电与风力发电的互补性提高，将会导致大棚行业的新的发展。虽然目前风光互补发电技术上依旧存在一些问题，但正是因为这些问题，为未来的设计与发展指明了方向。相信随着技术的不断突破，能源利用率的不断提高，风光互补智能大棚的诸多问题都会得到解决。

参考文献

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