农业光伏电站智能灌溉系统研究

吴丽军，李焕彬，汪宏亮，胡益豪，方晓敏

（衢州职业技术学院，浙江 衢州 324000）

农业光伏电站将光伏发电和农业相结合，充分利用土地资源，具有良好的经济社会效益。在“双碳”背景下，具有良好的发展前景。截至2021 年，国内农业光伏电站约6500 万kW，占地大约1218.8 万亩（1 亩约等于667 m2）。南方地区的农业光伏电站大多建在丘陵缓坡上，存在灌溉困难的问题，导致种植效益低，甚至出现土地被弃用的情况。现有的农业灌溉系统成本高、通用性低，难以适用于农业光伏电站，亟需开发专用于农业光伏电站的智能灌溉系统。

本文将灌溉系统与光伏电站设施充分融合，大大降低系统成本，在灌溉的同时实现光伏组件的清洗，提高光伏电站的发电量，从而大大提高了灌溉系统的经济效益。项目的完成对解决我国农业光伏电站的灌溉问题具有重要的意义。

1 系统结构

由图1 可知，试验数据表明，农业光伏电站土壤湿度与光伏组件表面清洁度变化的趋势基本相同，主要原因是晴天土壤湿度会下降，光伏组件表面的积灰也会增多，而在下雨时，土壤湿度会提高，同时光伏组件表面的灰尘也会被雨水冲洗。因此，农业光伏电站灌溉和光伏组件清洗的需求比较同步。本文根据该特点，设计了农业光伏电站灌溉和清洗一体化系统，实现农业光伏电站灌溉和清洗共用管道、灌溉和清洗共用水，如图2 所示，该系统实现了一水两用，大大降低了灌溉和清洗的成本，提高了经济效益。

图1 土壤湿度和光伏组件清洁度变化

图2 农业光伏电站灌溉+清洗

系统结构图如图3 所示，控制器通过气象仪、土壤湿度传感器获取当前土壤湿度、空气温湿度和风速等信息，同时上网获取天气预报数据，再根据设定的灌溉策略来判定是否需要启动灌溉。在需要灌溉时，启动自动清洗机构对光伏组件进行清洗，自动灌溉机构利用清洗后的水进行灌溉。系统还设置了无线通信模块，实现与上位机数据的通信和参数的设置。

图3 系统结构图

2 电气系统设计

农业光伏电站中的汇流箱具有数据采集和通信功能，并且汇流箱安装在户外光伏阵列中，本课题拟对光伏汇流箱进行改造，利用其实现种植环境数据采集、通信和自动灌溉控制。这样可以大大降低农业光伏电站智能灌溉系统的成本。光伏汇流箱的结构示意图如图4 所示，在现有光伏汇流箱的基础上增加了I/O 口，以及传感器模块和外部设备驱动接口。

图4 农光互补光伏汇流箱控制系统示意图

3 样机制作与试验

样机如图5 所示，在农业光伏电站下面种植了多肉植物，在光伏组件的上方设置了自动清洗机构，在组件的下端设置了水槽，用来收集光伏组件清洗后的水，收集后的水通过灌溉水管对下方的农作物进行灌溉。

图5 试验样机

控制器如图6 所示，主要包括网络气象获取模块、数据输入模块、清洗信号输出模块和电源模块。控制器根据土壤湿度、作物需求和天气预报数据，进行灌溉决策，决定灌溉时间和灌溉水量，如图7 所示。

图6 控制器

图7 控制器工作原理

土壤湿度传感器如图8 所示，实时监测土壤湿度，为自动灌溉提供依据。灌溉和清洗时的照片如图9 所示，清洗水管在丝杆机构的作用下自上往下运动对光伏组件进行清洗。

图8 土壤湿度传感器

图9 灌溉+清洗工作图

光伏组件清洗的照片如图10 所示，清洗水管上均匀设置了喷水孔，喷射出具有一定压力的水柱，对光伏组件具有良好的清洗效果。灌溉的照片如图11 所示，灌溉水管与水槽相连，上面设置了多个喷水孔，可以对多个方向进行喷水灌溉。

图10 光伏组件清洗图

图11 农作物灌溉图

为了得到光伏组件的最佳清洗效果，进行了不同水压、不同孔径、不同移动速度和不同清洁度时的清洗效果试验。最终根据试验结果选取了合适的技术参数。不同清洗压力时的清洗效果对比如图12 所示，从图中可以看出清洗压力越高，清洗效果越好。当清洗压力达到4 bar 时，清洗效果基本达到最佳。

图12 不同清洗压力时清洗效果对比

不同孔径时的清洗效果对比如图13 所示，从图中可以看出孔径越小，清洗效果越好。当孔径达到1 mm时，清洗效果基本达到最佳。

图13 不同孔径时清洗效果对比

不同移动速度时的清洗效果对比如图14 所示。从图中可以看出移动速度越慢，清洗效果越好。当移动速度达到0.2 m/s 时，清洗效果基本达到最佳。

图14 不同移动速度时清洗效果对比

4 应用与分析

在浙江省衢州市上彭川村农业光伏电站开展了应用。试用规模：试用光伏电板200 m2（对照组100 m2，实验组100 m2）。种植农作物：在光伏电站下种植玉米，玉米品种使用澳早60 品种。

灌溉照片如图15 所示。试验结果表明，本系统实现了根据土壤湿度和作物需水量进行智能灌溉，并且灌溉均匀，效果良好。

图15 灌溉照片

光伏组件清洗照片如图16 所示。试验表明将灌溉用水先用于光伏组件的清洗，可以有效清除灰尘，光伏组件发电量可以提升5%左右。

图16 清洗照片

试用结果表明，本系统可以满足农业光伏电站农作物灌溉的需求，经济效益显著，每亩种植增收1230元，灌溉用水对光伏板清洗作用，每亩光伏发电增收1218 元。