CN107821117A - 基于光伏水泵的灌溉系统 - Google Patents

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Abstract

为了设计一种尽可能经济的且不受环境条件影响的用于农田灌溉的灌溉系统，建议，不管是灌溉单元的移动驱动装置还是水泵系统，均通过一个或者多个光伏单元供应电流或者电压。

Description

基于光伏水泵的灌溉系统
技术领域
本发明涉及一种用于农田灌溉的灌溉系统，其中该灌溉系统具有可借助至少一个驱动装置移动的至少一个灌溉单元，此外，该灌溉系统还具有为至少一个驱动装置供电的至少一个光伏单元。
同时，本发明还涉及一种基于灌溉系统进行农田灌溉的方法。
背景技术
在现有技术水平下已经公开了多种用于农田灌溉的机械灌溉系统。通过这一类的机械灌溉系统可以实现尽可能自动化的灌溉，降低花费，并节省成本，尤其是薪酬成本。
用于可在农田上移动或者行驶的机械灌溉系统的灌溉单元，该灌溉单元通常借助交流电机(AC电机)进行驱动。使用发电机，例如柴油发电机或者连接至电网为该驱动装置供电。根据环境特点，灌溉用水通过公共自来水管或者水泵系统提供。这一类的水泵系统通常也基于AC电机，和灌溉单元的驱动装置一样，该交流电机由发电机(通过柴油电机的轴传力机械力)或者由电网进行供电。
在现有技术水平下公开了少量其灌溉单元的驱动装置借助太阳能进行驱动的灌溉系统。其中在使用太阳能时始终对获得的电能进行中间存储，以便可以确保驱动电机的持续供电。
例如在US 7,878,429B2中公开了一种灌溉系统，该系统具有多个相互连接的、设置在轮子上的塔或者灌溉单元。这些电机经由通过太阳能系统获得并中间存储的电能进行驱动。
发明内容
本发明的目的在于，在尽可能经济且不受环境条件影响的前提下设计一种用于大面积农田灌溉的灌溉系统。
根据本发明提议了一种用于农田灌溉的灌溉系统，其中该灌溉系统具有能够借助至少一个驱动装置进行移动的至少一个灌溉单元。此外，该灌溉系统还具有为至少一个驱动装置供电的至少一个光伏单元。
同时，该灌溉系统具有至少一个太阳能驱动的水泵系统，该水泵系统和至少一个光伏单元和/或另一个光伏单元相连为水泵系统供电。该光伏单元具有至少一个太阳能模块。该水泵系统通过流体技术方面的有效连接和至少一个灌溉单元相连。
该灌溉系统用于灌溉农田，例如用于植物和/或庄稼灌溉。该灌溉系统为机械灌溉系统。因此，该系统不需要人员在田野中持续的手动控制。灌溉单元是指一种机械单元，例如塔。该灌溉单元为可移动设计，以便其可以在农田的规定区域内移动，例如行驶。此外，该灌溉单元具有一管道系统，例如供水管道或者软管。该灌溉单元在侧面可以具有伸出的支撑臂或者支架，导水管道通过此支撑臂或支架进行引导，或者将此管道集成在该支撑臂或支架中。
该灌溉单元优选具有至少一个轮子，该轮子由至少一个驱动装置进行驱动。该驱动装置例如由电机构成。其中尤其可以规定，该驱动装置针对可变或者可调节的速度进行设计。由此，灌溉单元借助该驱动装置可以以不同的速度进行驱动和移动。
流体技术方面的有效连接是指从水泵系统至灌溉单元的供水连接。例如，该流体技术方面的有效连接为管道或者软管。该水泵系统优选具有电机和水泵。该水泵系统用于供水。此外，也可以借助至少一个水泵从储水装置(例如水槽)、湖或者河流中供水。也可以选择借助水泵输送地下水。
由此，根据本发明的灌溉系统的至少一个灌溉单元借助一个驱动装置移动，该驱动装置通过光伏单元进行供电，同时，水泵系统也通过太阳能进行驱动，因此，根据本发明的灌溉系统特别经济。此外，根据本发明的灌溉系统可以不受环境条件的影响而被非常灵活地使用。例如，该灌溉系统也可以在没有公共供电和自来水系统的非常偏僻的地区使用。在现有技术水平下在这一类地区用于驱动灌溉单元和水泵的柴油发电机需要持续地添加燃料。而根据本发明的灌溉系统则不需要这样做。因此显著降低了手动照看的花费。
除了流体技术方面的有效连接，至少一个水泵系统优选借助数据连接或者通信接口和至少一个灌溉单元相连。由此，可以显著改进水泵系统和灌溉单元之间的交互功能能力。例如，由此可以通过水泵系统对灌溉单元的移动速度和/或其移动方向进行控制。优选规定，灌溉单元的驱动装置根据水泵系统的参数进行控制。例如，根据流量、流动速度、瞬时太阳能功率或者日射率、对灌溉面积的特定要求和/或根据当前的环境条件，例如当前的降水量，来控制至少一个灌溉单元的移动速度。其中设有一个基于计算机的控制器或者调节器，该控制器借助算法或者通过执行该算法的软件加以控制。水泵系统和灌溉单元之间可以通过有线或者无线的方式进行数据连接。
特别优选的方案是，水泵系统由中央控制单元，即主机构成。水泵系统或者隶属于水泵系统的控制器探测状态信息和参数，并由此确定灌溉单元的最佳移动方式，例如速度和/或移动方向。
至少一个灌溉单元优选以可线性移动的和/或围绕轴线可转动的方式进行设计。由此，至少一个灌溉单元可沿着一路段，例如直线路段或者曲线路段进行移动。此外，至少一个灌溉单元围绕一轴，例如虚拟轴旋转或者转动移动。
也可以优选规定，灌溉系统具有多个相互连接在一起的灌溉单元。中央灌溉单元例如可以以可旋转或者转动的方式构成。其他灌溉单元可以依次、相互或者彼此相连。其他灌溉单元在通过中央可旋转结构的灌溉单元移动时，使得灌溉单元共同经过一环形的路段。其中每个灌溉单元为此优选具有至少一个轮子。至少一个灌溉单元通过驱动装置驱动或者移动。其他灌溉单元可以具有单独的驱动装置。
多个灌溉单元优选通过机械连接装置以及用于输送液体或者灌溉用水的管道段相互连接在一起。其中在机械连接装置下方尤其设有刚性支柱，例如支撑臂。供水管道段也可以由管道或者软管构成。管道段也可以集成在机械连接装置中或者安排以及固定在其外部。在每个管道段中也可以安排有形式为洒水装置或者喷嘴的排出开口，用作液体排出口或者水排出口。
至少一个光伏装置优选直接(即无中间连接的储能装置)和至少一个驱动装置进行导电的连接。此外，至少一个光伏单元或者另一个光伏单元(即同样无中间连接的储能装置)和水泵系统相连。由此可以进一步降低成本，且可以在不受环境条件(例如非常高的外部温度或者阳光直射)的影响下使用灌溉系统。
灌溉系统的至少一个驱动装置优选由直流电机(DC电机)构成。特别优选的方案是，DC 电机为无刷结构。通过DC电机可以以特别合适的方式控制可变的速度。此外，DC电机在经济方面看在与基于光伏单元的供电装置结合时比AC电机更加高效。尤其在较低的速度时，其电流消耗更少。
此外，优选设有一种驱动控制单元，通过该控制单元可以以可变的方式调节至少一个灌溉单元的移动速度。该驱动控制单元可以隶属于水泵系统和/或灌溉单元。该驱动控制单元优选和至少一个驱动装置进行导电的连接。
同时，优选规定，至少一个光伏单元和/或另一个光伏单元和驱动控制单元导电地相连。由此，驱动控制单元也可以通过光伏单元供应电流或者电压。此外，借助该驱动控制单元可以探测光伏功率或者日照强度，并在确定移动或者行驶移动(例如速度和/或行驶方向)时加以考虑。
该灌溉系统优选具有一种从外部供电电源进行额外供电的混合系统。其中用于控制额外供电的混合控制单元和水泵系统和/或外部供电电源相连。该混合系统基本上具有外部供电电源或者一个外部供电电源接口以及至少一个光伏单元和混合控制单元。该外部供电电源例如可以是发电机或者公共电网。为了控制外部电源部分，混合控制单元可以具有一个基于计算机的控制器和软件或者一种算法。如果日光照射在特定的时间点不足，无法长时间维持灌溉系统的至少一个灌溉单元，则可以通过外部供电电源提供所需的功率差。
为了接收状态信息，水泵系统优选具有一个输入接口。状态信息例如可以是需要的灌溉量、灌溉单元或者多个灌溉单元的状态、管道压力数据或者水压数据、流量、流动速度和/ 或本地灌溉区域的降水量。
此外，为了输出信息，水泵系统优选具有一个输出接口。这一类的信息例如可以是管道压力、流动速度、系统状态、太阳能功率和/或太阳能电压信息、灌溉单元或者多个灌溉单元移动特征信息(例如移动速度)等。
输入接口优选和灌溉传感器和/或流量测量单元和/或压力传感器形成有效连接。由此，可以通过相应的传感器或者测量单元探测需要的参数或者状态信息并传递至水泵系统。
至少一个光伏单元可以直接安装在灌溉单元处。例如光伏单元可以安排在塔状的灌溉单元上。也可以选择将光伏单元安排在其他位置，仅和灌溉单元或者灌溉单元的驱动装置导电地相连。特别优选的方案是，至少一个光伏单元以机械方式安排在至少一个灌溉单元上。尤其特别优选的方案是，至少一个光伏单元安排在一个中央灌溉单元或者可旋转结构的灌溉单元上。可以设有一个从安排在该灌溉单元上的光伏单元至其他灌溉单元的导电连接。此外，用于供电的水泵系统和该光伏单元导电相连。也可以选择为其他灌溉单元和/或水泵系统设有单独的光伏单元。
根据本发明此外还规定了一种使用上述灌溉系统来灌溉农田的方法。
其中优选规定，至少一个灌溉单元通过至少一个驱动装置移动的速度和/或行驶方向借助驱动控制单元进行控制和/或调节。由此，该驱动装置以及灌溉单元的移动不仅可以进行打开和关闭，而且可以分级地或者甚至无级地设置和调节移动速度。特别优选的方案是，水泵系统由中央控制单元以及主机构成。灌溉单元为所谓的从机。其中可以理解的是，中央控制器，尤其是驱动装置的控制器以及由此产生的移动速度由水泵系统，而不是由单独的灌溉单元进行控制。
速度和/或行驶方向优选根据规定的灌溉量和/或管道压力和/水压和/或水流量和/或水的流动速度和/或太阳能功率和/或降水量和/或一个或者多个太阳能模块的部分或者完整阴影进行调节。这一类的状态信息持续地(例如以规定的时间间隔)由水泵系统或者与水泵系统相连的传感器和测量单元进行探测，并对至少一个灌溉单元的移动的速度和/或行驶方向进行设置或者调节。
移动或者行驶状态(例如速度和/或行驶方向)优选在调节时使得灌溉单元的运转点或者工作点与水泵系统的运转点或者工作点相协调。由此，行驶状态的调节使得水泵系统和灌溉单元的运转点或者工作点相互联系在一起。在水泵功率下降，例如管道压力和水压较低、流量和流动速度或者太阳能功率较低时，可以降低至少一个灌溉单元的移动速度，从而使得在该时间内途径面积的灌溉量基本上保持恒定。在水泵功率上升时，可以重新提高速度。由此可以对水泵系统不断变化的工作点做出反应，尤其是在与基于无中间存储装置的光伏单元和直接供电的供电装置相结合时，可以形成一种特别高效的灌溉系统。
附图说明
示意性地示出了：
图1示出了具有可移动灌溉单元的灌溉系统的原理示意图，
图2示出了具有多个相互连接在一起的灌溉单元的灌溉系统的原理示意图，以及
图3示出了农田灌溉方法的重要步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出了具有可移动或者可行驶的灌溉单元10的灌溉系统100的原理示意图。该灌溉单元10为塔式结构，且支撑在轮子18上。灌溉单元10具有用于可变速度的驱动装置11，且驱动灌溉单元10的至少一个轮子18。
灌溉单元10或者驱动装置11的驱动控制单元17通过无线数据连接16和水泵系统13相连。水泵系统13具有用于输送灌溉用水的电机28和水泵27。该水泵系统13此处构成中央控制单元或者主机。根据状态信息和环境条件，由水泵系统13确定移动速度以及行驶方向，并进而控制驱动装置11。该信息例如通过数据连接16进行传递。
含驱动装置11的灌溉单元10通过光伏单元12供应电流或者电压。在图1所示的示例中，光伏单元12被安排在灌溉单元10上，并和灌溉单元固定相连。灌溉单元10具有支撑臂和安排在支撑臂上的用于分配灌溉用水的管道段15。在管道段15上沿其长度分布和安排有用于排出灌溉用水的喷嘴25。灌溉单元10可以沿直线或者沿着规定的路段在待灌溉的农田上移动。灌溉单元10也可以作旋转或环形移动。
在图1所示的示例中，水泵系统13通过一单独的或者另一个光伏单元12a供应电流或者电压。原则上也可以设有唯一一个光伏单元12，为水泵系统13和灌溉单元10供应电流或者电压。
图2以原理示意图的形式示出了类似的灌溉系统100，其也具有多个相互连接在一起的灌溉单元10、10a。中央灌溉单元10与图1所示的灌溉单元10结构类似。灌溉单元10的支撑臂由连接至其他灌溉单元15的机械连接装置14构成。基于该原理，可以将任意多个灌溉单元10、10a相互连接在一起，因此可以对任意大小的农田进行灌溉。
在图2所示的图片中，灌溉系统100为混合系统20。其中该混合系统20具有连接至外部供电电源22的接口、混合控制单元21和其他的光伏单元12a。通过该混合控制单元可以对待外部输送的电流量进行调节。由此，在日射率较低时，水泵系统13和/或灌溉单元10或者灌溉单元10的驱动装置11的电流需求通过供电电源22的外部电流予以补充。其中外部供电电源22的电流被输送至光伏单元12a和/或水泵系统13中，因而无需能量中间存储装置。
图3示出了农田灌溉方法流程图的原理示意图。其中在图3中示出了最重要步骤的流程。在步骤S1中对状态信息和/或参数(例如降水量、管道压力、水压和/或太阳能功率)进行探测。根据上述信息或者参数，在步骤S2中确定水泵系统13的移送速度和行驶方向。在确定过程中，水泵系统13和灌溉单元10的工作点相互协调。随后，基于确定的移动速度和行驶方向在步骤S3中借助驱动装置驱动灌溉单元10，并使得该灌溉单元以期望的速度和行驶方向转移或者移动。
参考标号列表
100 灌溉系统
10、10a 灌溉单元
11 驱动装置
12、12a 光伏单元
13 水泵系统
14 机械连接装置
15 管道段
16 数据连接
17 驱动控制单元
18 轮子
19 流体技术方面的有效连接
20 混合系统
21 混合控制单元
22 供电电源
23 输入接口
24 输出接口
25 喷嘴
27 水泵
28 电机
S1 探测状态信息和/或参数
S2 确定移动速度和行驶方向
S3 设置/调节移动速度和行驶方向。

Claims (16)

1.一种用于农田灌溉的灌溉系统(100)，其中该灌溉系统(100)具有能够借助至少一个驱动装置(11)进行移动的至少一个灌溉单元(10)，此外，该灌溉系统(100)还具有为至少一个驱动装置(11)供电的至少一个光伏单元(12)，其特征在于，该灌溉系统(100)具有至少一个太阳能驱动的水泵系统(13)，该水泵系统和至少一个光伏单元(12)和/或另一个光伏单元(12a)导电地相连为水泵系统(13)供电，此外，水泵系统(13)通过流体技术方面的有效连接(19)和至少一个灌溉单元(10)相连。
2.根据权利要求1所述的灌溉系统(100)，其特征在于，除了流体技术方面的有效连接，至少一个水泵系统(13)还借助数据连接(16)和至少一个灌溉单元(10)相连。
3.根据权利要求1或2所述的灌溉系统(100)，其特征在于，至少一个灌溉单元(10)以可线性移动和/或围绕一轴可旋转的方式进行设计。
4.根据上述权利要求其中任意一项所述的灌溉系统(100)，其特征在于，灌溉系统(100)具有多个相互连接在一起的灌溉单元(10、10a)。
5.根据权利要求4所述的灌溉系统(100)，其特征在于，灌溉单元(10、10a)通过机械连接装置(14)和用于输送灌溉液体的管道段(15)相互连接在一起。
6.根据上述权利要求其中任意一项所述的灌溉系统(100)，其特征在于，至少一个驱动装置光伏单元(12)在无中间能量存储装置的情况下直接和至少一个驱动装置(11)导电地相连。
7.根据上述权利要求其中任意一项所述的灌溉系统(100)，其特征在于，至少一个驱动装置(11)由直流电机构成，其中借助驱动控制单元(17)可以对至少一个灌溉单元(10)的移动速度和/或行驶方向进行可变调节。
8.根据权利要求7所述的灌溉系统(100)，其特征在于，至少一个光伏单元(12)和/或另一个光伏单元(12a)与驱动控制单元(17)导电地相连。
9.根据上述权利要求其中任意一项所述的灌溉系统(100)，其特征在于，灌溉系统(100)具有用来从外部供电电源(22)进行额外供电的混合系统(20)，其中用于控制额外供电的混合控制单元(21)和水泵系统(13)和/或外部供电电源(22)相连。
10.根据上述权利要求其中任意一项所述的灌溉系统(100)，其特征在于，水泵系统(13)具有用于接收状态信息的一输入接口(23)和/或用于输出信息的一输出接口(24)。
11.根据权利要求10所述的灌溉系统(100)，其特征在于，输入接口(23)和灌溉传感器和/或流量测量单元和/或压力传感器处于有效连接状态。
12.根据上述权利要求其中任意一项所述的灌溉系统(100)，其特征在于，至少一个光伏单元(12)以机械方式安排在至少一个灌溉单元(10)上。
13.一种借助根据上述权利要求其中任意一项所述的灌溉系统(100)对农田进行灌溉的方法。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，由至少一个驱动装置(11)借助驱动控制单元(17)对至少一个灌溉单元(10)的移动速度和/或行驶方向进行控制和/或调节。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，根据预定的灌溉量和/或管道压力和/或流量和/或流动速度和/或太阳能功率和/或降水量来调节速度和/或行驶方向。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，速度和/或行驶方向调节为，使得灌溉单元(10)的运转点与水泵系统(13)的运转点相协调。
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