摘 要：针对丘陵地区农业光伏电站因灌溉困难导致土地抛荒的问题，该文设计一种农业光伏电站智能灌溉系统，在灌溉的同时还实现光伏组件的清洗。试验结果表明，该系统能够很好地满足农业光伏电站的灌溉需求，有效解决土地抛荒的问题，同时一水两用，具有良好的经济效益。
关键词:农业;光伏;智能;灌溉;清洗;
Abstract：In view of the problem that agricultural photovoltaic power stations in hilly areas are abandoned due to irrigation difficulties, this paper designs an intelligent irrigation system for agricultural photovoltaic power stations, which can realize the cleaning of photovoltaic modules while irrigation. The test results show that the system can well meet the irrigation needs of agricultural photovoltaic power stations, effectively solve the problem of land abandonment, with good economic benefits.
Keyword：agriculture; photovoltaic; intelligence; irrigation; clean;
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6 500万k W，占地大约1 218.8万亩（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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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1 230元，灌溉用水对光伏板清洗作用，每亩光伏发电增收1 218元。
参考文献
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