太阳能自动灌溉系统设计(课程汇报)

1、类型：课程设计名称：太阳能自动灌溉系统设计关键词：光伏发电原理；自动灌溉系统原理；自动跟踪系统原理-I-第一章前言1.1 论文的研究背景及意义1.1.1 选题背景全球普遍以不可再生的传统资源（如煤和石油）为主，以可再生资源（如风能和太阳能）为辅。随着不可再生资源的储能量越来越少，不可无限开采，开采的越来越艰难，同时在传统资源开采导致环境问题越来越严重的今天。于是，加大清洁能源的利用和使用是时事所需，已得到全球各国的共识。能源与国家和人民的生活息息相关，能源的短缺严重的影响国家科技经济和人民的日常生活和工作生产。我国水资源的总量不够充足，人均水平更是低于世界平均水平，总量位居世界前十但是人均占有

2、量仅2000多川，全球人均占有量是我国占有量的4倍。随着人民的生活水平的提高,导致绿地用水占城市用水的比例将越来越大。大力实施节约用水的绿地浇水方式有利于节约水资源的同时也可以绿化环境，而加大力度的解决城市绿地灌溉的问题是迫在眉睫的。光伏发电系统的工作原理是利用太阳能电池组件（一种类似于晶体二极管的半导体器件）界面产生的光生伏打效应（物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的部分电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应）而将光能直接转变为电能，产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求情况下直接给负载供电，如果日照不足或者夜间则由蓄电池在控制器的控制下

3、给直流负载供电，对于含交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电变成交流电。1.1.2 研究意义在传统的绿地灌溉中,大多采用人工浇灌的方式。这种灌溉方式不仅灌溉效率低，而且长期灌溉导致地表积盐会使植被生理受到很大的损害，同时也浪费了大量的水资源，据统计采用人工漫灌会造成80%的水资源浪费。近年来，很多城市采用了管网供水或者喷灌，有些较高级的场所使用滴灌，但是这些灌溉方式仍然会造成40%-60%的水资源浪费，这种方式虽然在某种程度上节约了一些水资源，但是仍然没有摆脱人工操作灌溉的方式。随着科技的进步和发展，越来越多的灌溉方式从传统的方式向自动灌溉的方式进行转变，自动灌溉设备的供电方式仍然依

4、赖市网提供的电能，尤其是在夏季会为许多发达城市的市网供电加重负荷且有些灌溉区域根本无法采用市网供电。设计一款稳定、可靠、正常自动运转的自动灌溉装置已经成为农业和城市绿色化发展的重点需要解决的问题。第二章光伏自动灌溉系统的工作原理2.1 光伏自动灌溉系统的工作原理2.1.1 光伏发电系统的工作原理光伏发电系统根据其运行模式，分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。光伏发电系统由光伏阵列、控制器、蓄电池组、逆变器、光伏发电系统的附属设施组成的供电主回路控制系统。光伏发电系统的工作原理是利用太阳能电池中的经过串联封装以后形成大面积的太阳能电池组件中的半导体界面的光生伏打效应而将太阳能转化为电能，再通

5、过系统中的逆变器和控制器等器件转换成负载可以用的电能。根据光伏系统其运行模式又将光伏发电系统分为“独立光伏发电系统”和“并网光伏发电系统”。秉持为本市市网用电减小压力的原则我们的本次的课题选用了“独立光伏发电系统”来进行研究。1-1独立光伏发电系统工作原理图2.1.2 自动灌溉系统的工作原理自动灌溉系统一种用于农田灌溉的节水控制系统，以单片机芯片作为核心控制器，利用土壤湿度传感器对采集到的土壤湿度信息为依据，调节水泵的开度，从而实现自动灌溉的节水控制系统。结合本文的文案，自动灌溉系统由温湿度传感器、单片机、水泵、液晶显示屏电磁阀、灌溉喷头及若干水管组成。1-2自动灌溉系统结构原理图2.2.光伏

6、自动灌溉系统的工作原理2.2.1 光伏自动灌溉系统相结合的工作原理上述分析可知，光伏自动灌溉系统由光伏发电系统和自动灌溉系统两个部分组成。系统示意图如图2-1所示。-3-.i-r阿门图2-1光伏自动灌溉系统结构示意图系统中的光伏独立供电系统为整个系统的负载提供电能，自动灌溉系统的灌溉和储能为整个绿地提供灌溉，通过系统的土壤温湿度传感器和水位测试传感器来获取土地的含水情况,通过A/D转化器将信息交给该系统的核心部件单片机来处理信息，控制模块获取信息并对系统下一步的操作进行决策。-#-第三章光伏自动灌溉系统的结构组成及分析光伏自动灌溉系统由光伏系统中的供电模块、光伏组件跟踪模块、自动灌溉系统中的传

7、感器处理模块、单片机处理模块、显示模块、串口通信模块等模块组成，因此太阳能供电装置是数字化、智能化、模块化三位为一体的新兴产品，最近几年的发展很迅猛。它可以为在市电供应不便的情况下为农业灌溉提供安全稳定的供电电源，利用光伏电池板向蓄电池组充电，然后蓄电池组为整个系统提供电能。3.1 光伏供电系统的结构组成及容量设计3.1.1 光伏供电系统的结构组成本系统的供电模块包括光伏阵列、逆控一体机、蓄电池组、这三大部分组成。结构如图1-1所示。下面分别介绍各部分。（1）光伏阵列光伏阵列是由一块块由多晶硅等材料制成的光伏板组成的。它利用自身的光生伏打效应将光能转化为电能，并将其存入蓄电池中，该过程清洁环保

8、，相较于火电和核电等拥有其自身的优势。（2）逆控一体机逆控一体机是结合了逆变器和控制器的性能优点组成的，逆控一体机能够供应合适的充、放电流。还可以防止对蓄电池过充或过放电，从而对蓄电池起到很好的保护和延长寿命的作用，并且具有升压、逆变的功能，将蓄电池输出的直流电转换为220V的交流电。（3）蓄电池组蓄电池组是供电装置中唯一的储能部件，它将光伏板发出的电能保存下来，在需要时为系统中的设备提供能量。蓄电池在过充电及过放电的情况下，循环使用次数骤减。蓄电池组有许多的蓄电池结合而成，根据计算系统的各项需求可合理的配置蓄电池组，保证能满足系统的需求，又不过多浪费资源。3.1.2 光伏供电系统的容量设计光

9、伏系统的容量设计是需要在了解当地的气象条件的情况下对光伏供电装置的容量进行设计。之后综合各项设计从而达到理想高效的预期功能。（1）气象参数衢州市位于东经118°08'119°20，北纬28°14'29°30，年平均气温15.8°C；倾斜面年辐射量1254.88kw.h/m2水平面年辐照量Q：4258.8KJ/m2,峰值日照时数T：5.36/h年平均降雨日数为157天（2）用电需求分析本文太阳能光伏绿地自动灌溉系统的灌溉对象为70平方米左右的城市绿地，其负载用电全部由太阳能独立供电的部分来提供的。主要的用电负荷有：自动跟踪装置、直

10、流水泵、电磁阀、供电控制电路、自动灌溉控制部分，供电控制电路和自动灌溉控制部分包括了单片机和各种传感器等控制系统模块，为了满足各负载各种需求工作我们将电流选用的是最大值，具体的用电情况如下表格3-1各类负载用电参数所示。负载名称工作电压(V)单个功率(W)个数(个)率功W总<工作时间(H)每日耗电(WH)直流水泵2412011202240控制器51011024240触摸屏248.4018.4024201.6阀门驱动247.2017.200.214.4土壤温、湿度传感器120.621.22428.8水位检测传感器243.613.62486.4I/O50.025130.325247.8MAX

11、23250.10010.1242.4Lm324（运放）50.5731.712441.04表3-1各类负载用电参数根据表3-1中的各类参数可知，系统负载电压类型为：5V、12V、24V,电源类型全部为直流。系统总功率为240+240+201.6+14.4+28.8+86.4+7.8+2.4+41.04=862.44WH(3) 光伏电池阵列容量计算：衢州1月份的太阳辐射总量2.4X10J/m2,日照115.4小时，是一年太阳辐射量最少的月份。因此，以1月份的太阳辐射量来确定太阳能电池阵列的容量，那么该容量一定能满足一年中的其他月份。计算如下：1) 衢州市1月份每天的峰值日照时数衢州1月份的日平均辐

12、射量为7.154X106J/m2,转换为固定倾角表面上的辐射量，需乘以1.2,则日最小平均辐射量为2.389KW.h/m2，峰值日照时数小时2.389h。2) 日耗电量估算(1月份)见表3-1，单片机、传感器、控制器系统按照每天工作24小时计算，水泵按照每天工作2小时计算，电磁阀按照每天工作10分钟计算，估算日耗电量为862.44wh。3) 系统总效率光伏系统主要有：灰尘、线路、蓄电池充放效率、光伏电池阵列损耗系数综合上述的因素，总效率取经验值0.658。4) 太阳能电池容量计算太阳能面板容量和负载日耗电量的关系如下：P0=Q/Hn其中：PO:标准状态下太阳能电池阵列的输出功率（kw）;Q：负

13、载日消耗电量（kwh）；n：系统总效率；H:峰值日照时数；将上述数据的值带入到公式当中，可得太阳能面板额定功率为：PO=548.5（Wp）根据计算出的太阳能电池阵列的容量，可以确定需要的太阳能面板的数量。同时，由于1月份的太阳光辐射强度是全年中最低的，所以取发电系统电池阵列功率为120W，足以满足其他月份的用电需求，故选择额定功率的太阳能面板5枚。（4）蓄电池组容量计算蓄电池的容量需要考虑系统的自给天数、负载日用电量和蓄电池放电深度负载一年四季工作时间不同，故用电量也不同。与计算太阳能电池容量类似的原则，选择负载在一月份的日用电量作为参考。计算过程如下：1）自给天数自给天数是系统不再产生新的能

14、源，而仅靠蓄电池组支持的情况下，负载正常工作的天数。一般来说，自给天数的确定通常是要考虑两个因素的：一个是负载对电池的要求程度和当地的气象条件有很大的关联，即一年中连续阴雨天数。简单的做法是把当地最大连续阴雨天数作为系统的自给天数。此外还要考虑的因素是负载对电池的要求，对于负载要求不是很严格的光伏应用系统，在设计过程中通常取自给天数为3-5天左右。对于负载对光伏系统要求很严格的，在设计过程中通常取自给天数为7-14天左右。考虑到衢州一月份的天气，阴雨的天数不会持续太长的时间，所以本文取自给天数为N=4。2）负载日耗电量由于在晴天光照条件良好的情况下，系统能产生新的电能，所以对蓄电池的容量没有太

15、多的要求，而在连续阴雨的情况下，系统只能依靠蓄电池来工作了，所以阴雨天的负载日耗电量作为蓄电池的容量设计参考比较合理。阴雨天水泵的工作量和可以相应的调整和减少，电磁阀也可以减少开关次数，故阴雨天系统日耗电量P估算为775.6wh。3）最大放电深度不同类型的蓄电池最大放电深度也不一样。本课题研究的小型光伏电池系统使用的铅酸蓄电池，放电深度为80%。4）容量计算公式C=PN/DUK1K2式中各个符号所代表的含义如下：C：要计算的蓄电池的容量；P：负载日耗电量；D：放电深度;-7-N：自给天数；U蓄电池的工作电压，12V；K1：蓄电池放电过程中的损耗因素，取经验值0.9；K2：温度因素对放电深度的影

16、响，取经验值0.85；由上述值可得蓄电池容量C:C=528(AH)3.2光伏跟踪系统的结构组成3.2.1光伏组件跟踪系统的结构光伏方位跟踪装置结合了光电跟踪和太阳轨迹跟踪两种跟踪方式，是开环控制和闭环控制的有机结合。其工作流程如下：设定跟踪间隔时间，启动跟踪，首先通过太阳运动轨迹公式计算当前的太阳高度角和方位角，驱动二维电机作为一次跟踪，此时面板已经基本垂直太阳光的入射方向。如图3-2光伏组件跟踪示意图所示，安装在二维跟踪器上面的太阳能面板，探测器安装在光伏组件上方，平行于太阳能面板，由于检测太阳方位,执行机构带动面板调整角度来保证太阳光垂直入射太阳能面板。光伏阵列步进电机减速传动机邀L/主轴

17、.底座副轴詐传动机构步进电机动暫亍程刹柜图3-2光伏组件跟踪示意图光伏阵列的输出功率在很大程度上受太阳能辐射强度和光伏组件自身温度(芯片温度)的影响，另外，由于光伏电池组件具有电压随着电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点，系统工作点也会因此飘忽不定，这必然会导致系统效率的降低。为此，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以便阵列在任何当前日照下不断获得最大功率输出°MPPT的实现实质上是一个自寻优过程，即通过控制端电压，使光伏阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。3.3自动灌溉系统的结构组成及设计3.3.1 自动灌溉系统的结构组成自动灌溉系统主要有

18、传感器处理模块、A/D转换模块、单片机处理模块、无线数传模块、输出模块和串口通信模块等组成。传感器处理模块用于对系统中的土壤的温湿度、液体位置传感器和系统电量的输送变送处理。A/D转换模块负责将经过变送处理的模拟信号转化为适合单片机处理的数字信号。单片机处理模块则是整个系统的核心处理部分，它负责接受来自A/D处理模块变送的信号和对A/D模块进行控制，以及驱动执行机构，单片机还负责与人机交互模块交互信息。人机交互模块是显示其负责的城市绿植的环境参数和灌溉参数等的输入。下面分别介绍各模块部件：3.3.2 传感器处理模块1、温湿度传感器的选型土壤是一个天然的具有蓄水储存功能的储水库，收集地表流动和降

19、雨带来的水分。使用土壤温湿度传感器是为了能够更好的了解这块土地上不同部分的水分含量，为了灌溉做参考。对于本次的系统研究采用我国大连哲勤科技生产的MS-10型土壤温湿度一体传感器。受土壤的含盐量影响小，可适用于大部分的土壤，如图3-3MS-10土壤温湿度一体传感器所示，它可将土壤的温湿度信息情况转化为标准的4-20mA电流信号。图3-3MS-10型土壤温湿度一体传感器MS-10型传感器技术指标表2-2所示。主要的优势特点：1、受土壤含盐量影响小，应用地区范围广，性能可靠。2、采用进口芯片及电子元件，测量精确度高。3、响应速度小于1S,输出信号稳定4、制作材料采用316L不锈钢针，永不电解。5、功

20、耗低，平均电流小于10mA。6、密封性好，采用进口黑色阻燃环氧树脂抽真空封灌，耐腐蚀性强，可长期埋于地下。7、防水等级IP68，完全防水，可在苛刻的热带条件下使用。8、电源反接保护，抗雷击保护。测量参数土壤容积水含量土壤温度量程0-100%-40-80摄氏度精度0-53%范围内3%+/-0.5摄氏度稳定时间通电后0.5s工作电压12-30V输出类型4-20mA标准电流环响应时间在0.5s后进入稳态过程密封材料进口黑色阻燃环氧树脂真空封管，探针原料为优质不锈钢测量范围以中央探针为中心，直径约7cm，咼为10cm的圆柱中2、土壤温湿度传感器的安装使用土壤温湿度传感器时，选测合适的测量地点，避开石块

21、，按照测量所需深度刨开表层土，保持下层土壤原有的松紧程度，紧握传感器垂直插入土壤，插入时不可左右摇晃，确保与土壤紧密接触，而对于比较深的农作物选择垂直插入。垂直挖直径大约20CM的坑，深度-9-按照测量需要，将传感器钢针水平插入坑内，将坑内填埋压实，确保与土壤紧密接触，待传感器稳定一段时间后，即可进行连续长时间测量和记录。3.3.3单片机处理模块鉴于控制的复杂性和需要拥有显示、报警、闭环控制等较高要求，本次研究决定用单片机作为中心控制器。现在市面上使用的单片机的型号种类很多，并且型号种类也很齐全。本次课题选用了飞思卡尔单片机的龙丘的最小系统，它比较高的性价比赢得了很多客户的青睐,使用+5v单电

22、源供电它具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉等优点并且该单片机如图3-4所示是100%经过检验的，达到国家的电磁兼容标准，并且能在-40-+125摄氏度之内的工作温度内使用。图3-4飞思卡尔单片机最小系统3.3.4串口通信模块现代世界是一个高度人工智能自动化的时代，各式各样的设备和计算机连接，方便管理维护者的方便观察和管理。目前串口通信也是在自动灌溉系统中比较常见的联机方式。计算机网络和通信技术越来越多的应用在控制领域。计算机可以更好的和远端的设备进行控制和沟通。根据通信的方式，我们可以将通信方式分为无线通信和有线通信。但是两者相对比，有线的方式虽然比无线的可靠性更高，但是在传输距离较远和通信材料的安装维护等成本较高的方面，有线通信存在很大的浪费。此次MC9S12X128芯片存在这两个串行接口研可以将无线通信方式和有线通信方式同