Какие существуют решения для питания интеллектуальных клапанов в системах орошения в сельском хозяйстве

В сценариях сельскохозяйственного орошения стабильное электропитание интеллектуальных клапанов (таких как электрические клапаны) является основной гарантией их надежной работы. Ввиду обширной территории, слабой энергетической инфраструктуры и сложного рельефа в сельскохозяйственных районах традиционное муниципальное электроснабжение сопряжено с такими проблемами, как высокая стоимость проводки и сложность обслуживания. Поэтому необходимо выбирать гибкие и эффективные решения по электроснабжению в зависимости от особенностей сценария. Ниже приведены общие решения интеллектуальных вентильных источников питания, охватывающие различные технологические направления, такие как новая энергия, хранение энергии и сбор энергии на месте, а также проанализированы сценарии их применения, преимущества и недостатки:
1、 Солнечная система питания
Солнечная энергия - наиболее часто используемый новый метод энергоснабжения в сценариях сельскохозяйственного орошения, особенно подходящий для зон с достаточным количеством солнечного света, таких как открытые поля, фруктовые сады, чайные сады и т.д. Ее преимуществами являются чистота, возобновляемость и возможность сбора энергии на месте.
Состав ядра
Солнечные панели: Выберите монокристаллические/поликристаллические кремниевые панели в зависимости от мощности интеллектуального клапана (обычно 5-50 Вт), с диапазоном мощности 10-100 Вт (в соответствии с ежедневным потреблением энергии).
Аккумуляторная батарея: накапливает избыточную электрическую энергию для работы в условиях низкой освещенности, например, в пасмурные дни или в ночное время. Обычно используются литиевые (например, литий-железо-фосфатные, которые отличаются длительным сроком службы и высокой плотностью энергии) или свинцово-кислотные (недорогие и подходящие для низкочастотного использования) батареи. Емкость рассчитывается исходя из суточного потребления энергии, умноженного на количество резервных дней (обычно 3-7 дней).
Модуль управления энергией: включает в себя защиту от заряда и разряда, преобразование напряжения (например, выход 12В/24В), функцию пробуждения с контролем освещения/времени, чтобы избежать перезарядки и разрядки аккумулятора и продлить срок его службы.
Применимые сценарии
Открытые участки с достаточным количеством солнечного света (например, равнинные сельскохозяйственные угодья, горные фруктовые сады).
Частота работы интеллектуальных клапанов умеренная (например, открытие и закрытие 3-5 раз в день), а время разовой работы короткое (от нескольких секунд до нескольких минут).
преимущества и недостатки
Преимущества: Не требует подключения, длительный цикл обслуживания (срок службы батареи 2-5 лет), низкие эксплуатационные расходы.
Недостатки: Сильно зависит от погодных условий (в дождливые дни возможны перебои в подаче электроэнергии), а первоначальная стоимость оборудования относительно высока (около 300-1000 юаней за комплект).
2、 Система прямого питания от аккумулятора
Для интеллектуальных клапанов с малой мощностью (≤ 10 Вт) и низкой рабочей частотой (например, открытие и закрытие 1-2 раза в день) можно напрямую использовать энергию аккумулятора без сложного оборудования для преобразования энергии, что делает их подходящими для краткосрочного использования или маломасштабных сценариев.
Распространенные типы аккумуляторов
Литиевые аккумуляторы: такие как 18650, 26650 и другие модели, с напряжением 3,7 В (можно последовательно соединять до 12 В), высокой плотностью энергии и сроком службы 3-12 месяцев (в зависимости от энергопотребления).
Алкалиновые сухие батарейки, такие как AA/AAA, имеют низкую стоимость и подходят для интеллектуальных клапанов сверхмалой мощности (например, только для связи), но имеют короткий срок службы (1-3 месяца) и требуют частой замены.
Свинцово-кислотный аккумулятор: напряжение 12В/24В, большая емкость (12-100Ач), подходит для интеллектуальных клапанов небольшой мощности, но тяжелый (неудобен в транспортировке) и короткий срок службы (1-2 года).
matlab
Использование микросхем с низким энергопотреблением (например, серии STM32L) и механизма пробуждения в спящем режиме (пробуждение только во время работы, ток в режиме ожидания ≤ 10 мк А) позволяет снизить энергопотребление в режиме ожидания.
Оснащенные модулем мониторинга батарей, дистанционные напоминания о необходимости замены батарей обеспечиваются с помощью беспроводной связи (LoRa/NB IoT), что позволяет сократить расходы на ручной осмотр.
Применимые сценарии
Небольшие теплицы, орошение в горшках или временные экспериментальные поля.
Интеллектуальные клапаны должны работать только периодически (например, раз в неделю).
преимущества и недостатки
Преимущества: Низкая начальная стоимость (около 50-200 юаней за батарею и схему защиты), гибкость развертывания.
Недостатки: Ограниченное время работы от аккумулятора, требующее регулярной замены/зарядки (большие трудозатраты), не подходит для высокочастотных рабочих сценариев.
3、 Система дополнительного электроснабжения на основе энергии ветра/солнечного ветра
В ветреных районах, таких как плоскогорья, горные районы и прибрежные сельскохозяйственные угодья, энергия ветра может служить дополнением к солнечной энергии или даже обеспечивать независимое энергоснабжение; ветро-солнечная дополнительная система может сочетать преимущества обеих систем и повышать стабильность энергоснабжения.
Состав ядра
Небольшие ветрогенераторы: мощностью 10-100 Вт (например, вентиляторы с вертикальной осью, подходят для низких скоростей ветра), выход DC 12V/24V.
Солнечные панели: дополняют энергию ветра (в солнечные дни используется солнечная энергия, в пасмурные/ночные дни - энергия ветра).
Аккумулятор для хранения энергии + контроллер: Как и в системе солнечной энергии, контроллер должен поддерживать как ветровую, так и солнечную энергию, с приоритетом использования ветровой или солнечной энергии (в зависимости от уровня энергии в реальном времени).
Применимые сценарии
Места с большой высотой над уровнем моря и меньшим количеством ветров и дождей (например, северо-западные сельскохозяйственные угодья и орошаемые пастбища).
Частота работы интеллектуальных клапанов относительно высока (например, открытие и закрытие более 10 раз в день), поэтому требуется стабильное электропитание.
преимущества и недостатки
Преимущества: Стабильность электропитания выше, чем у одиночной солнечной энергии, подходит для сложных климатических зон.
Недостатки: Стоимость вентилятора относительно высока (около 500-2000 юаней), необходимо учитывать место установки (чтобы избежать препятствий). Обслуживание также сложное (вентилятор подвержен накоплению пыли и износу лопастей).
4、 Гидроэлектрическая система энергоснабжения
Если интеллектуальные клапаны будут установлены вблизи ирригационных каналов и трубопроводов (например, магистральных трубопроводов капельного орошения и открытых каналов), они смогут использовать энергию потока воды для привода небольших гидроэлектрогенераторов, обеспечивая "сбор энергии на месте", что особенно подходит для сценариев, в которых вода есть круглый год.
базовая технология
Микрогидрогенераторы: делятся на трубопроводные (устанавливаются в ирригационных трубопроводах, используют разницу давления воды) и канальные (плавают на поверхности канала, используют тягу потока воды), мощностью 5-50 Вт и выходным напряжением 12В/24В постоянного тока.
Координация хранения энергии: Из-за возможности нестабильного потока воды (например, воды в периоды полива и перебоев в периоды без полива) для хранения электроэнергии необходимо использовать небольшие аккумуляторы (например, литиевые батареи 12В/20Ач).
Применимые сценарии
Оросительные каналы с круглогодичным водоснабжением, сельскохозяйственные угодья ниже по течению от водохранилищ или вблизи магистральных трубопроводов систем капельного/дождевального орошения.
Интеллектуальные клапаны требуют длительной непрерывной работы (например, контроля потока в реальном времени и динамической регулировки).
преимущества и недостатки
Преимущества: Бесплатная и стабильная энергия (при непрерывном потоке воды), нет необходимости зависеть от погоды.
Недостатки: В связи с ограничениями цикла орошения (не может генерировать электроэнергию при отсутствии воды), установка требует модификации трубопроводов/каналов (что может повлиять на эффективность орошения).
5、 Технология сбора энергии (сценарий с ультранизким энергопотреблением)
Для сверхдешевых интеллектуальных клапанов, которым требуется только периодическая связь (например, для сообщения о состоянии) и почти не нужно управлять работой клапана (например, чистое зондирование + функция беспроводной обратной связи), можно использовать технологию сбора энергии для обеспечения питания "без обслуживания".
Общие приемы
Сбор энергии вибрации: Используя механическую вибрацию ирригационных насосов и трубопроводов, вибрация преобразуется в электрическую энергию (уровень мощности μ Вт) с помощью пьезоэлектрических керамических пластин.
Сбор энергии за счет разницы температур: Используя разницу температур между почвой и воздухом (например, температура почвы выше, чем воздуха в течение дня), энергия вырабатывается с помощью термоэлектрических генераторов (ТЭГ)