一种基于风光联合发电的智能滴灌系统

1.本发明涉及智能滴灌技术领域，具体涉及一种基于风光联合发电的智能滴灌系统。


背景技术：

2.能源是经济发展和人民生活必需的重要物质基础。近年来随着化石能源的日趋紧缺和环境保护要求的日益提高，可再生、无污染的新能源的开发利用越来越受到重视，风力发电和太阳能发电都是典型的可再生能源发电技术，风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，是性价比较高的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。
3.在过去的农业种植过程中对于农作物的灌溉都是需要自己对天气、土壤的湿度等进行判断，再根据自身经验的判断在合适的时机进行灌溉，而且在一些复杂的地形需要对水进行运输，基于人工的判断通常会与实际情况存在误差，因此无法达到最佳的滴灌效果，且人工的操作流程复杂，易于出错。
4.因此，如何在降低滴灌成本的前提下，提升滴灌效率和智能化程度是当前技术领域工作人员急需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种基于风光联合发电的智能滴灌系统，以降低农田的滴灌成本、提升滴灌效率和智能化程度。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种基于风光联合发电的智能滴灌系统，包括：
7.追光太阳能发电模块，用于将太阳能转换为第一电能；
8.风力发电模块，用于将风能转换为第二电能；
9.电能整合模块，用于将第一电能和第二电能进行整合处理，得到整合电能，整合电能为智能滴灌系统提供电源；
10.信息采集模块，用于实时采集待滴灌的土壤信息数据和环境数据；
11.专家决策模块，用于基于土壤信息数据和环境数据得到滴灌方案，当土壤信息数据和环境数据超过预设阈值时，输出预警信号；
12.滴灌执行模块，用于根据滴灌方案，并在整合电能的作用下进行水肥滴灌工作。
13.在一种可能的实现方式中，追光太阳能发电模块包括光伏发电板、蓄电池、支架、追光组件、逆变器和太阳能控制器；
14.其中，追光组件采用间隔追光的方式调整光伏发电板的高度和角度。
15.在一种可能的实现方式中，追光组件的追光模式包括视日运动追踪和光电追踪；
16.其中，追光组件采用双轴跟踪方式对光伏发电板的方位角和高度角进行调节。
17.在一种可能的实现方式中，风力发电模块包括多个用于发电的风轮机，相邻风轮机的转动方向相反。
18.在一种可能的实现方式中，风轮机的纵向区间为：
19.8r《r1《13r；
20.风轮机的横向区间为：
21.4.5r《r2《5r；
22.其中，r1表示风轮机的纵向区间，r2表示风轮机的横向区间，r表示风轮机的直径。
23.在一种可能的实现方式中，风力发电模块包括变速限功率运行区、变速联合变桨限功率运行区和变桨限功率运行区；
24.其中，变速限功率运行区、变速联合变桨限功率运行区和变桨限功率运行区的变桨间距通过风速进行设置。
25.在一种可能的实现方式中，信息采集模块包括土壤信息数据监测组件和环境数据监测组件；
26.其中，土壤信息数据监测组件包括土壤湿度传感器和酸碱度检测计，环境数据监测组件包括温度传感器、光照强度传感器和雨量传感器。
27.在一种可能的实现方式中，专家决策模块包括环境数据信息库、专家知识储存数据库、专家决策模型和预警组件；
28.环境数据信息库包括农田信息表、农田实时环境信息表和田间天气信息表；
29.专家知识储存数据库包括作物需水量表、滴灌策略规则表、作物相关疾病信息表和作物管理信息表；
30.专家决策模型用于根据土壤信息数据和环境数据得到滴灌方案；
31.预警组件用于对土壤信息数据和环境数据进行判断，当土壤信息数据和环境数据超过预设阈值时，输出预警信号。
32.在一种可能的实现方式中，滴灌方案包括水滴灌方案和肥料滴灌方案。
33.在一种可能的实现方式中，包括控制终端，专家决策模块还包括远程监控组件，远程监控组件用于将土壤信息数据和环境数据传输至控制终端，并根据滴灌方案判断是否需要人工干预；
34.其中，在判定需要人工干预时，远程监控组件向控制终端发送操控指令，并根据接收到的人工指令控制滴灌执行模块进行水肥滴灌工作。
35.采用上述实施例的有益效果是：追光太阳能发电模块的追光组件用于调整光伏发电板的接光面积，风力发电模块用于将风能转换为第二电能，电能整合模块将第一电能和第二电能进行整合处理，信息采集模块用于实时采集待滴灌的土壤信息数据和环境数据，专家决策模块用于基于土壤信息数据和环境数据得到滴灌方案，滴灌执行模块用于根据滴灌方案进行水肥滴灌工作。本发明通过追光组件提高了太阳能的转化效率，基于风光互补提升了发电效率，并且将采集到的土壤信息数据和环境数据传至专家决策模块进行数据综合分析进而对浇灌方案做出决策，从而实现智能化、精准化节水型浇灌，调控灌溉方案和水肥浓度。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附
图。
37.图1为本发明提供的一种基于风光联合发电的智能滴灌系统的一个实施例的结构示意图；
38.图2为本发明提供的一种基于风光联合发电的智能滴灌系统的一个实施例中电能整合模块的结构示意图；
39.图3为本发明提供的一种基于风光联合发电的智能滴灌系统的另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。
42.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。
43.图1为本发明提供的一种基于风光联合发电的智能滴灌系统的一个实施例的结构示意图。
44.参照图1，本发明提供了一种基于风光联合发电的智能滴灌系统，包括：
45.追光太阳能发电模块11，用于将太阳能转换为第一电能；
46.风力发电模块12，用于将风能转换为第二电能；
47.电能整合模块13，用于将第一电能和第二电能进行整合处理，得到整合电能，整合电能为智能滴灌系统提供电源；
48.信息采集模块14，用于实时采集待滴灌的土壤信息数据和环境数据；
49.专家决策模块15，用于基于土壤信息数据和环境数据得到滴灌方案，当土壤信息数据和环境数据超过预设阈值时，输出预警信号；
50.滴灌执行模块16，用于根据滴灌方案，并在整合电能的作用下进行水肥滴灌工作。
51.采用上述实施例的有益效果是：追光太阳能发电模块11的追光组件用于调整光伏发电板的接光面积，风力发电模块12用于将风能转换为第二电能，电能整合模块13将第一电能和第二电能进行整合处理，信息采集模块14用于实时采集待滴灌的土壤信息数据和环境数据，专家决策模块15用于基于土壤信息数据和环境数据得到滴灌方案，滴灌执行模块16用于根据滴灌方案进行水肥滴灌工作。本发明通过追光组件提高了太阳能的转化效率，基于风光互补提升了发电效率，并且将采集到的土壤信息数据和环境数据传至专家决策模块进行数据综合分析进而对浇灌方案做出决策，从而实现智能化、精准化节水型浇灌，调控
灌溉方案和水肥浓度。
52.在一种实施例中，追光太阳能发电模块11包括追光组件和光伏发电板；
53.其中，追光组件采用间隔追光的方式调整光伏发电板的高度和角度。
54.需要解释的是，为了提高太阳能的利用效率，本发明采用了追光组件，使得光伏发电板尽可能与太阳光线成90度角，此时太阳能板接收的太阳光线面积最大，太阳能利用率最高。同时为保证系统的发电效率，本发明采用间隔追光方式以减少追光系统本身的能量消耗，保证更多能量用于发电，同时根据系统计算以保证光伏发电板能在大部分时间都面对太阳光，保证太阳能利用率。间隔追光是指太阳光伏发电板能在一天内的高度角变化不大，但方位角变化相对较大。例如：方位角一个小时变化10
°
左右，而高度角在1
°
以内，本发明实施例采用一小时内角度不变，来保证追光太阳能发电模块11不必因为高度角的变化而一直进行旋转。
55.进一步地，追光组件的追光模式包括视日运动追踪和光电追踪；
56.其中，追光组件采用双轴跟踪方式对光伏发电板的方位角和高度角进行调节。
57.需要解释地是，上述实施例采用视日运动追踪和光电追踪相结合的方法，避免在天气情况发生变化时，影响追光组件的工作，从而降低太阳能利用效率。在晴天时，追光太阳能发电模块11的追光方式以光电追踪为主,光电追踪是指按照原有计算轨迹运动的同时根据光电感应装置调整角度，使光伏发电板正对太阳光线，控制太阳能板的发电效率最高，而阴天时由于天气影响对光电感应器影响较大，所以采用视日运动追踪方式，根据预设模型来判断太阳的高度角和方位角，减小了追光方式受不同天气的影响，提高太阳能的利用率。追踪方式是由追光组件控制，追光组件控制着光伏发电板的旋转，以最大限度的利用太阳光。
58.双轴追踪是指含有两个旋转轴的追踪方式，使光伏发电板可以在水平和垂直方向都进行调整，保证太阳能板可以接受的更多的太阳能。
59.进一步地，视日运动追踪依靠计算公式来判断太阳的高度角和方位角，能够减少追光方式受不同天气的影响，提高太阳能的利用率。在阴天时，由于光电感应器的误差较大，视日运动追踪方式不受影响，故直接使用光电追踪方式来定位太阳，保证太阳能的发电效率。
60.视日运动追踪方法计算公式包括：
61.太阳赤纬角近似计算公式：
62.其中，n表示日数，自每年1月1日起算；
63.太阳高度角计算公式：
[0064][0065]
其中，ψ表示测点纬度，ω表示太阳时角；
[0066]
方位角计算公式：
[0067][0068]
在一种实施例中，晴天时，追光组件的追光方式以光电追踪为主。光电追踪通过跟
踪传感器是用来检测太阳的方位角和高度角，每小时检测一次，当检测时太阳光线与光伏太阳板的夹角不等于90
°
，则传感器就输出偏差信号。当太阳光线以与传感器底座垂直的方向照射到传感器上时，即太阳光线与太阳能板平面垂直时，两个光电二极管接收到的光照度相同，当太阳光偏离垂直方向时，不管向哪个方向偏离，两个光电二极管接收的照度都会出现差值，这就是偏离信号。该信号经放大后送入控制单元，这时控制单元开始工作，启动自动跟踪装置调整太阳能板的角度，直到太阳能板对准太阳，实现了对太阳由东往西的自动跟踪。
[0069]
进一步地，高度角的追踪是通过当太阳光线与指日棒的轴线平行照射时，二个光电二极管接收的辐照度相同，则无信号输出；当太阳光线发生倾斜时(太阳上升或下落)，两个光电二极管接收的辐照度出现差值，这就是高度信号。该信号经放大后送入控制单元，与方位角传感器同理，当控制单元接收到高度信号后，高度角控制单元即开始工作，调整太阳能板的倾斜角度，使太阳能板在南北方向上跟踪太阳，直到太阳能板对准太阳。
[0070]
在一种实施例中，当一天的太阳辐照度达到工作照度后自动跟踪装置自动开机，太阳能板就会自动转向太阳。而每天晚上当太阳光辐照度低于工作照度时，太阳能板自动跟踪装置停止追踪，且控制太阳能板回转至当天初始位置。
[0071]
在一种实施例中，风力发电模块12包括多个用于发电的风轮机，相邻风轮机的转动方向相反，以提高风力发电模块12的发电效率。
[0072]
进一步地，风轮机的纵向区间为：
[0073]
8r《r1《13r；
[0074]
风轮机的横向区间为：
[0075]
4.5r《r2《5r；
[0076]
其中，r1表示风轮机的纵向区间，r2表示风轮机的横向区间，r表示风轮机的直径。
[0077]
在一种实施例中，风力发电模块12包括变速限功率运行区、变速联合变桨限功率运行区和变桨限功率运行区；
[0078]
其中，变速限功率运行区、变速联合变桨限功率运行区和变桨限功率运行区的变桨间距通过风速进行设置，以提高风力发电模块12的发电稳定性。
[0079]
图2为本发明提供的一种基于风光联合发电的智能滴灌系统的一个实施例中电能整合模块的结构示意图。
[0080]
参照图2，电能整合模块13用于将第一电能和第二电能进行整合处理，得到整合电能，整合电能为智能滴灌系统提供电源；
[0081]
其中，追光太阳能发电模块11和风力发电模块12产生的电压和电流不同，追光太阳能发电模块11的是直流电且电压小，需要直流逆变且通过变压器升压，而风力发电模块12产生的是交流电，只需通过变压器降压，使两者电压保持相同，从而进行电能输出，若存在多余电能则输入蓄电池储存。
[0082]
在一种实施例中，信息采集模块14包括土壤信息数据监测组件和环境数据监测组件；
[0083]
其中，土壤信息数据监测组件包括土壤湿度传感器和酸碱度检测计，环境数据监测组件包括温度传感器、光照强度传感器和雨量传感器。
[0084]
进一步地，专家决策模块15包括环境数据信息库、专家知识储存数据库、专家决策
模型和预警组件；
[0085]
环境数据信息库包括农田信息表、农田实时环境信息表和田间天气信息表；
[0086]
专家知识储存数据库包括作物需水量表、滴灌策略规则表、作物相关疾病信息表和作物管理信息表；
[0087]
专家决策模型用于根据土壤信息数据和环境数据得到滴灌方案；
[0088]
预警组件用于对土壤信息数据和环境数据进行判断，当土壤信息数据和环境数据超过预设阈值时，输出预警信号。
[0089]
在一种实施例中，通过土壤信息数据监测组件和环境数据监测组件采集田间土壤信息，通过zigbee模块组成的树型局域网传到网关，网关通过gprs模块传到专家决策模块15。专家决策模块15用于接收土壤信息数据监测组件和环境数据进行整合，并对各类数据进行计算，以作物生长对灌溉水与肥料提出的需求为依据，结合土壤田间持水量，并依据土壤容重和作物所需灌溉深度进行计算、分析，得出所需灌溉量，制定针对性的供水方案，每天定时定量进行灌溉，然后输出信号驱动水泵供水。
[0090]
可以理解地是，农田信息表存储着农田的基础信息，如海拔、面积、经纬度等信息；农田实时环境信息表包括环境温度、土壤湿度、光照强度、ph值、降雨量；田间天气信息表包括当地几天内的天气情况和降雨概率预测数据。
[0091]
作物需水量表包括作物不同生长期的需水量情况、土壤水分含量；滴灌策略规则表包括根据作物生长期、田间实时环境信息、实际降雨量以及未来雨量预测等诸多变量因素组成的灌溉策略规则；作物相关疾病信息表包括作物常见疾病生理特征、预防措施、解决措施等相关信息；作物管理信息表包括作物相关的灌溉、施肥、剪枝等相关护理的注意事项。
[0092]
图3为本发明提供的一种基于风光联合发电的智能滴灌系统的另一个实施例中专家决策模块进行决策的流程示意图。
[0093]
参照图3，专家决策模型对接收的土壤信息数据和环境数据进行整合后存储到数据库中，并以作物生长对水提出的需求为依据，结合土壤田间持水量，并根据土壤容重和作物所需灌溉深度进行计算分析，得出所需灌溉量，制定针对性的供水方案。
[0094]
在一种实施例中，专家决策模型还可以对接收的土壤信息数据和环境数据进行整合后存储到数据库中，并以作物生长对肥料提出的需求为依据，对数据进行计算分析，得出所需施肥量，结合作物实际需求对供肥量进行智能调整，然后输出信号调节施肥泵出肥量，实现智能供肥。
[0095]
在另一个实施例中，采用土壤信息数据监测组件和环境数据监测组件采集田间土壤信息，然后对田间土壤信息进行分析计算，结合作物实际生长对肥料的需求，得出适当的施肥量，输出控制信号调节施肥泵出肥量。
[0096]
在一种实施例中，滴灌方案包括水滴灌方案和肥料滴灌方案。
[0097]
在一种实施例中，包括控制终端，专家决策模块15还包括远程监控组件，远程监控组件用于将土壤信息数据和环境数据传输至控制终端，并根据滴灌方案判断是否需要人工干预；
[0098]
其中，在判定需要人工干预时，远程监控组件向控制终端发送操控指令，并根据接收到的人工指令控制滴灌执行模块进行水肥滴灌工作。
[0099]
进一步的，滴灌工作采用膜下滴灌的方式，根据设计要求选择减缓水分蒸发的地膜铺设在土壤上，不仅能够提高水资源利用率，也能避免传统灌溉方式所造成的土地盐碱化、土壤板结和肥料过度使用对生态环境造成破坏。
[0100]
采用上述实施例的有益效果是：追光太阳能发电模块的追光组件用于调整光伏发电板的接光面积，风力发电模块用于将风能转换为第二电能，电能整合模块将第一电能和第二电能进行整合处理，信息采集模块用于实时采集待滴灌的土壤信息数据和环境数据，专家决策模块用于基于土壤信息数据和环境数据得到滴灌方案，滴灌执行模块用于根据滴灌方案进行水肥滴灌工作。本发明通过追光组件提高了太阳能的转化效率，基于风光互补提升了发电效率，并且将采集到的土壤信息数据和环境数据传至专家决策模块进行数据综合分析进而对浇灌方案做出决策，从而实现智能化、精准化节水型浇灌，调控灌溉方案和水肥浓度。
[0101]
以上对本发明所提供的一种基于风光联合发电的智能滴灌系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，包括：追光太阳能发电模块，用于将太阳能转换为第一电能；风力发电模块，用于将风能转换为第二电能；电能整合模块，用于将所述第一电能和所述第二电能进行整合处理，得到整合电能；信息采集模块，用于实时采集待滴灌的土壤信息数据和环境数据；专家决策模块，用于基于所述土壤信息数据和所述环境数据得到滴灌方案，当所述土壤信息数据和所述环境数据超过预设阈值时，输出预警信号；滴灌执行模块，用于根据所述滴灌方案，并在所述整合电能的作用下进行水肥滴灌工作。2.根据权利要求1所述的基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，所述追光太阳能发电模块包括光伏发电板和追光组件；其中，所述追光组件采用间隔追光的方式调整所述光伏发电板的高度和角度。3.根据权利要求2所述的基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，所述追光组件的追光模式包括视日运动追踪和光电追踪；其中，所述追光组件采用双轴跟踪方式对所述光伏发电板的方位角和高度角进行调节。4.根据权利要求1所述的基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，所述风力发电模块包括多个用于发电的风轮机，相邻所述风轮机的转动方向相反。5.根据权利要求4所述的基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，所述风轮机的纵向区间为：8r<r1<13r；所述风轮机的横向区间为：4.5r<r2<5r；其中，r1表示风轮机的纵向区间，r2表示风轮机的横向区间，r表示风轮机的直径。6.根据权利要求4所述的基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，所述风力发电模块包括变速限功率运行区、变速联合变桨限功率运行区和变桨限功率运行区；其中，所述变速限功率运行区、所述变速联合变桨限功率运行区和所述变桨限功率运行区的变桨间距通过风速进行设置。7.根据权利要求1所述的基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，信息采集模块包括土壤信息数据监测组件和环境数据监测组件；其中，所述土壤信息数据监测组件包括土壤湿度传感器和酸碱度检测计，所述环境数据监测组件包括温度传感器、光照强度传感器和雨量传感器。8.根据权利要求1所述的基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，所述专家决策模块包括环境数据信息库、专家知识储存数据库、专家决策模型和预警组件；所述环境数据信息库包括农田信息表、农田实时环境信息表和田间天气信息表；所述专家知识储存数据库包括作物需水量表、滴灌策略规则表、作物相关疾病信息表和作物管理信息表；所述专家决策模型用于根据所述土壤信息数据和所述环境数据得到滴灌方案；所述预警组件用于对所述土壤信息数据和所述环境数据进行判断，当所述土壤信息数
据和所述环境数据超过预设阈值时，输出预警信号。9.根据权利要求8所述的基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，所述滴灌方案包括水滴灌方案和肥料滴灌方案。10.根据权利要求9所述的基于风光联合发电的智能滴灌系统，其特征在于，包括控制终端，所述专家决策模块还包括远程监控组件，所述远程监控组件用于将所述土壤信息数据和环境数据传输至控制终端，并根据所述滴灌方案判断是否需要人工干预；其中，在判定需要人工干预时，所述远程监控组件向所述控制终端发送操控指令，并根据接收到的人工指令控制所述滴灌执行模块进行水肥滴灌工作。

技术总结
本发明提供了一种基于风光联合发电的智能滴灌系统，该系统包括追光太阳能发电模块、风力发电模块、电能整合模块、信息采集模块、专家决策模块和滴灌执行模块；其中，追光太阳能发电模块进行太阳能发电，风力发电模块进行风力发电，电能整合模块将风力电能和太阳能电能进行整合处理，信息采集模块实时采集待滴灌的土壤信息数据和环境数据，专家决策模块基于土壤信息数据和环境数据得到滴灌方案。本发明通过风光互补提升了发电效率，并且将采集到的土壤信息数据和环境数据传至专家决策模块进行数据综合分析，后得到浇灌方案，从而实现智能化和节水型浇灌，提高了滴灌效率。提高了滴灌效率。提高了滴灌效率。


技术研发人员：胡丹 吴天航 金锐 赵德信 王春正 李梓航
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.08.02
技术公布日：2023/10/15