基于管道水流发电的农业物联网供电系统设计

2021-12-30常晓敏魏科宇左广宇刘大雷刘文浩

中国农村水利水电 2021年12期

常晓敏，魏科宇，左广宇，刘大雷，刘文浩，刘琪

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）

0 引言

随着农业种植结构的调整和农业现代化的发展，高效节水灌溉得到了越来越多的应用［1］，其核心部分是自动灌溉监测系统。该系统采用多种传感器和控制器。随着灌溉面积的增长，电力供应就成了保证自动灌溉监测系统正常运行的关键。使用电池限制了整个系统的工作时间，同时更换电池会增加人工成本，且很不环保。使用太阳能和风能等新能源是非常环保的，但是其发电量极易受自然环境影响，而且建设成本非常高。

为此，直接使用现有的灌溉输水管网，利用灌溉的水能进行发电，可大大节约建设成本。且其和传统的水力发电一样，都属于清洁能源。现阶段，国内外针对小型管道水流发电的研究与试验已趋于成熟：段巍钊为实现对自来水管网中的传感器进行供电，设计了一种基于管道内部流体动能发电的管道水流发电系统，设计输出功率约为100 W［2］；陈明吉等人，将微型水流发电机与水表进行集成，利用供水管网中的水能向智能水表供电［3］；肖腾设计了一款垂直轴管道水轮机，水轮机输出功率为50 W［4］。以上设计都是利用水流发电，解决设备供电问题，但针对农业物联网设备的专用小型管道水流发电系统的研究较少。

因此，研制适合于农业物联网设备的低成本、高效率、智能化的小型管道水流发电系统具有良好的应用前景。针对以上问题，我们对水轮机的叶轮结构进行了研究，设计了系统控制电路，提出了MPPT最大功率点供电策略，研制出了小型管道水流发电系统，实现为监测设备持续稳定供电。

1 系统的总体结构组成

小型管道水流发电系统主要由水轮机、发电机、系统电路、蓄电池、I/O 扩展接口组成。系统总体结构如图1所示。管道水流驱动水轮机叶轮，水轮机作为原动机，实现水能向机械能的转换。发电机转子与水轮机转轴同轴旋转，实现机械能向电能的转换。在实际的灌溉工作中，管道水流会根据农业灌溉的需要进行调节，从而影响水轮机的转速，导致发电机输出的电压不稳定，不能直接向设备和蓄电池供电，系统电路采用DC-DC变换电路，通过改变电路开关管导通占空比来将发电机输出的不稳定直流电压转换输出为稳定的电压［4］；此时电路的输出功率也随之发生变化，控制电路通过电压电流传感器对发电机的输出电压和输出电流进行检测，主控制器对DC-DC变换电路开关管导通占空比进行调节以实现系统的负载匹配，从而使系统工作在最大功率处［5］。当管道水流无法满足发电机工况需要时，由蓄电池向设备供电。I/O 扩展接口可根据农业物联网监测的实际需要安装通讯模块、监测模块。

2 系统硬件设计

2.1 水轮机的设计

2.1.1 总体设计参数

水轮机的输出与水轮机叶轮的结构密切相关。其中，叶轮叶片的几何形状、安装角、数量等因素都会影响管道水能的利用率，进而影响水轮机的输出功率。同时，不同的叶轮结构也会对管道流场产生不同的影响，影响叶轮的空蚀性能。因此，确定叶轮的结构参数是水轮机设计的关键。

在节水型农业灌溉的实践中，主要以中低压灌溉管道进行输水为主。本文针对此类管道进行管道水轮发电机设计。管道设计工况如表1所示，以此为边界条件进行叶轮设计。

表1 管道设计工况Tab.1 Pipeline design condition

传统的水轮机的设计制造是根据水轮机转轮型谱参数表进行选型设计。几何相似、运动相似、动力相似的水轮机可根据水轮机相似理论，建立模型与原型水轮机各个参数之间的关系。本工况下的管道水轮机由于尺寸太小，将其进行相似比例缩小换算后，其叶片厚度太小无法满足材料的力学性能。将其进行加厚处理，则其换算后的流量、效率与模型型谱参数相去甚远。

因此本文参考传统水轮机的叶轮结构，通过Solidworks 进行水轮机叶轮的三维建模。叶轮结构设计参数如表2所示。为了解水轮机叶轮流场的真实情况和水轮机的输出情况，根据计算流体动力学的理论基础，以表1中的管道工况作为边界条件，采用Fluent 进行仿真计算。52°转角6 叶片的叶轮结构如图2所示。

表2 叶轮结构参数Tab.2 Structural parameters of impeller

本文通过建立不同叶轮结构，利用Fluent 软件计算选取最佳的叶片结构模型，记录叶轮水力输出能力，作为发电系统设计的基础。

2.1.2 转速估算

在对叶轮模型进行仿真计算前，将模型导入到ANSYS中的Mesh 进行网格划分。采用Element Quality 和Skewness 等指标，对生成的网格质量进行检查，使用Domain进一步优化网格。在此基础之上，根据管道的边界条件，采用Dynamic Mesh 对叶轮进行仿真计算。仿真计算的参数如表3所示。

表3 仿真计算参数Tab.3 Simulation calculation parameters

根据仿真计算结果，得到叶轮转速与叶片转角、叶片数的关系，结果如图3所示。

由图3（a）可知，在叶片转角45°～60°的范围内，叶轮转速随转角的变大而提高。当转角为45°时，叶轮转速约为440 r/min；当转角为60°时，转速提高到705 r/min。从叶片数来看，在同一转角下，增加叶片数量，转速均在小范围内波动，无较大变化。因此可认为，在本文研究的转角范围内，只提高叶片数量，不能有效提高该叶轮模型的转速。但从转速上来看，在同样的叶片数量条件下，每当叶片转角提高5°时，叶轮转速随之提高约90 r/min。因此可认为，在本文研究的45°～60°的转角范围内，该叶轮模型的转速随转角的变化呈线性变化，满足正比例关系。根据这一关系，绘制出同一叶片数量下叶轮转速与叶片转角的相关关系图，如图3（b）所示。因此，可利用叶轮转速与叶片转角的正比例关系推算出在45°～60°内的叶片转角下各叶轮模型大致的转速。

2.1.3 叶轮水力输出分析

利用动网格转速计算，分析转速变化规律，可以计算其他叶片结构下的叶轮转速。考虑到水轮机转速与输出功率的关系以及对管内流场的影响程度，结合叶轮转速的变化情况，50°～55°的叶片转角可满足该发电系统的输出要求，同时不会对流场产生较大影响。因此，选取该区间的叶片转角进行稳态下的水轮机的工作分析。利用叶轮转速与叶片转角的关系推算出的转速作为初始条件进行稳态计算，得出不同转角下水轮机稳定运行时的输出功率（W）与水力效率（%），从而确定性能最优的叶轮结构。不同转角下输出功率与叶片数关系如表4所示，不同转角下水力效率与叶片数关系如表5所示，不同转角下水头损失与叶片数关系如表6所示。

表4 不同转角下输出功率与叶片数关系WTab.4 The relationship between the output power and the number of blades at different angles

表5 不同转角下水力效率与叶片数关系%Tab.5 The relationship between the hydraulic efficiency and the number of blades at different angles

表6 不同转角下水头损失与叶片数关系mTab.6 The relationship between the head loss and the number of blades at different angles

综合考虑设计水力输出功率35 W，水头损失不高于2%且效率高于80%，选取转角为53°，数量为7 的叶片的叶轮模型作为水轮机的叶轮。在该叶轮构型下，水轮机稳定运行时的工况如表7所示。

表7 水轮机稳定运行工况Tab.7 Stable running condition of hydraulic turbine

2.2 发电机的选型设计

发电机按磁场的产生方式可分为由永久磁铁产生磁场的永磁式发电机和由励磁系统产生磁场的励磁式发电机。由于励磁式发电机的励磁系统体积较大、结构设计复杂，且需另外供电，不适合用于管道发电系统［6］。因此，选用永久磁铁进行生磁的方式，并对发电机进行选型。在实际设计中，考虑水轮机的转速、输出功率以及发电机的结构布置，选用型号为MOTOR QRM400HX 的永磁直流发电机。发电机输出工况如表8所示。

表8 发电机输出工况Tab.8 Generator output condition

根据叶片转角为53°叶片数为7 的水轮机在稳定运行时的工况，转速为580 r/min，水轮机与发电机同轴旋转，转速保持一致。在不考虑其他损失的情况下，则发电机的输出电压约为55 V。

2.3 系统电路设计

系统电路设计主要包括控制电路的设计与DC-DC 电路的设计。系统电路控制框图如图4所示。

2.3.1 DC-DC电路设计

DC-DC 变换电路有很多不同类型，按变换器的功能分为：BOOST 升压型电路、BUCK 降压型电路、BUCK-BOOST 升降压型电路以及CUK 斩波电路。因本系统中发电机的输出电压大于蓄电池和设备的输入电压，故选择BUCK 降压型变换电路［7］，通过调节PWM 占空比的大小以匹配负载，从而将发电机的输出电压变换为适合用电器和蓄电池使用的稳定低电压。

2.3.2 控制电路设计

控制电路由主控制器、电压电流检测电路、驱动电路组成。为了实行高效的农业灌溉，灌溉水量会随作物的需求进行调节，这一调节过程会影响基于管道水流发电系统的输出特性。为提高发电系统的能源利用率，采用最大功率点跟踪策略，即MPPT。采用该种控制方法，当电路内外部阻抗相同时，电路即以最大功率进行输出。在该设计中，DC-DC 变换电路作为阻抗变换器，通过调节PWM 占空比的大小以匹配负载［8］。这一调节过程需要通过传感器实时对控制电路的输入输出进行采集，并将采集的电流、电压信号传输给控制器，控制器根据控制策略，将PWM 信号输出给驱动电路。驱动电路将信号放大后输出给DC-DC电路，最终实现MPPT控制。

（1）主控制器的选型。因管道水流发电系统的发电量较小，主控制器在选型上需要使用低功率型号，以支持农业灌溉监测设备的长时间运作。同时，考虑到野外恶劣多变的自然环境，主控制器也需要极高的稳定性。综上所述，本设计选用基于ARM Cortex-M3 内核的STM32F103C8T6 微控制器作为该电路的主控制器。该控制器可在睡眠、停机和待机模式下实现低功耗运行，通过VBAT为RTC 和后备寄存器供电。其供电电压为2.0～3.6 V，工作温度范围为-40～+85 ℃，能够很好地适应极端天气的变化。在扩展方面，该控制器具有9 个通信接口和37 个快速I/O 端口，适用于监测系统中大量传感器的集成。STM32F103C8T6微控制器在低功耗、稳定性和扩展性上均满足供电系统的要求。

（2）电压电流检测电路设计。电流检测方面，电流传感器选用基于霍尔效应的线性电流传感器，型号为ACS712。该型号传感器使用5.0 V 单电源进行供电，输出灵敏度为66～185 mV/A，带宽为80 kHz，在25 ℃下总体输出误差为1.5%。同时，其尺寸较小，在响应速度、绝缘性及稳定性方面都具有较优的性能。电流检测电路如图5所示。

电压检测方面，基于LM358 双运算放大器进行电路设计。电压检测电路如图6所示。LM358双运算放大器在电路中构成电压跟随器，单电源下电压范围为3～30 V，双电源工作模式下范围为±1.5～±15 V，同时具有低功耗电流，适合于电池供电。

（3）驱动电路设计。主控制器根据程序分析输入的电压电流信号，输出PWM 信号。但由于控制器输出的PWM 为控制信号，驱动能力比较弱，不能直接驱动MOS 管开关［9］。为此，本系统设计了相应的驱动电路来放大PWM 信号，选用型号为IR2104作为MOS管的专用驱动芯片，其电路设计如图7所示。

2.4 蓄电池选型设计

在实行按需灌溉的过程中，灌溉水流无法始终满足发电的需要。当发电系统停机时，需通过蓄电池等储能设备向农业监测系统供电。同时，蓄电池在供电系统当中还起到平衡负载和能量调节的作用。因此，蓄电池的使用寿命和稳定性直接影响到系统的安全可靠运行［10］。从当前的市场普及率来看，锂电池和铅酸蓄电池被大量应用于新能源发电系统中。在同等容量、电压下，锂电池重量更轻，能量密度更高，但其造价相对较高，且极不稳定。铅酸蓄电池电压特性平稳、温度适用范围广，同时价格低廉，安全性高。综上所述，使用铅酸蓄电池作为供电系统的储能电池。

在现有的自动灌溉监测系统中，设备输入电压主要以12 V为主。同时，考虑设备的功率和工作时间，在最大使用范围内，24 Ah 即可满足设备的正常工作需要。因此，最终选用输出电压为12 V，容量为24 Ah的铅酸蓄电池。

2.5 I/O扩展口设计

根据农业监测需要，需布置温湿度传感器、流量传感器、数据存储、远程通讯等设备，这些设备都通过I2C 总线与主控制器通信。但本系统采用的主控制器只有2个I2C接口，不能满足实际监测需要，且后期设备扩展不便直接与主控制器相连。为此本文选取2 片型号为MCP23017 的I/O 扩展器，挂载于主控制器的同一条I2C总线上。该扩展器带有16位远程双向I/O端口，能够满足农业监测设备的扩展需求。MCP23017 扩展模块电路如图8所示。

3 控制程序设计

本文在充放电策略上采用MPPT 控制方法进行调控，其程序设计如图9所示。在该方法的调控下，控制电路的主控制器根据采集到的电流电压信号，输出PWM 信号以调节DC-DC 变换电路的占空比，从而匹配负载，达到最大输出功率。

在系统具体的充放电过程中，首先对系统进行初始化设置，并检测此时的蓄电池状态，通过程序判断蓄电池电压是否满足供电要求。取U1为正常工作电压，取U2为最大工作电压。当蓄电池电压低于U1时，系统采用MPPT控制方法，调控主控制器输出PWM 信号以调节占空比，为蓄电池充电；当蓄电池电压高于U1低于U2时，则蓄电池处于正常工作状态，为最大程度利用灌溉水能，采用恒压充电的方式使蓄电池达到饱和状态；当蓄电池电压高于U2时，电量过饱和，为保证系统的安全，断开充电开关，发电系统停止发电。

4 系统试验结果

为了解实际灌溉过程中，系统输出受水流变化的影响程度，对系统进行了现场模拟试验，具体试验参数如下。试验负载：农业气象与土壤墒情监测设备，额定供电电压为12 V，工作电流0.1～1 A，所含设备和数量如表9所示。

表9 农业气象与土壤墒情监测设备Tab.9 Agrometeorological and soil moisture monitoring equipment

方案一：非灌溉时段，用水需求量很少，管道水流处于低速流动或静止状态，水轮机处于静止工作状态，由蓄电池为负载进行供电。实测24 h 耗电量为蓄电池储电量的43%，能够满足短期内无充电状态下设备的供电。

方案二：选取每天灌溉时段为9∶00-17∶00，此时管道水流流速较大，水轮机处于正常工作状态。在12 V 输出电压、0.5 A输出电流的负载条件下，发电系统输出功率25 W，12 V/24 Ah蓄电池辅助供电，经测试9∶00 蓄电池电量最低，电量为69%，13∶30 左右蓄电池电量为100%，此时由发电系统单独为设备供电。表10为不同工况下发电系统的输出结果。