基于微水发电系统的智慧农业物联网设备研发及应用.pdf

2022 年 11 月 Nov 2022 第 40 卷 第 11 期 Vol 40 No 11 李可欣 基于微水发电系统的智慧农业 物联网设备研发及应用 李可欣 null 郑源 nullnull 陈跃钢 null 高伟 null nullnull 河海大学能源与电气学院 江苏 南京 nullnullnullnullnullnull nullnull 宁波市中灿电子科技有限公司 浙江 宁波 nullnullnullnullnullnull nullnull 山东省水量计量中心 山东 潍坊 nullnullnullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 修回日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 网络出版时间 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 网络出版地址 nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金项目 国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 第一作者简介 李可欣 nullnullnullnull 女 黑龙江哈尔滨人 硕士研究生 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 主要从事流体机械及水利水电工程技术研究 null 通信作者简介 郑源 nullnullnullnull 男 山东日照人 教授 博士生导师 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 主要从事流体机械及水利水电工程技术研究 null 摘要 鉴于中国水资源短缺且农业灌溉用水有效利用率低的现状 为提高农业灌溉用水效率与 效能 加快高科技智慧型农业设备研发与推广 降低农业投入以及农业用水的比例 采用数值模 拟与模型试验相结合的方法 制定四因素三水平的正交试验优化方案 对 null 种不同方案在设计流 量点处的新型微型管道水轮机性能进行计算 并进行物理模型试验验证 null研究结果表明 水轮机 内的压力脉动主要受到叶片通过频率和导叶通过频率的影响 在设计流量点处 优化后的水轮 机出力为 nullnullnullnull null 效率为 nullnullnullnullnullnull 与初步设计方案相比 分别提高了 nullnullnullnullnullnull和 nullnullnullnullnullnull同时研发 了智慧农业物联网前端与终端系统 建立一个集自发电 null环境监测 null远程控制 null情况预警 null生长状 况分析于一体的综合性农业物联网智能管理系统 极大地方便了用户 为实现智能化种植 null养殖 技术提供了一种切实可行的方案 null 关键词 智慧农业 物联网设备 微水发电系统 节能环保 物理模型试验 中图分类号 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 文献标志码 null 文章编号 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 开放科学 资源服务 标识码 nullnullnullnull 李可欣 郑源 陈跃钢 等 基于微水发电系统的智慧农业物联网设备研发及应用 J 排灌机械工程学报 2022 40 11 1173 1180 LI Kexin ZHENG Yuan CHEN Yuegang et al esearch and application of intelligent agricultural internet of things equipment based on micro hydro power generation system J Journal of drainage and irrigation machinery engineering JDIME 2022 40 11 1173 1180 in Chinese esearch and application of intelligent agricultural internet of things equipment based on micro hydro power generation system LI Kexin null ZHENG Yuan nullnull CHEN Yuegang null GAO Wei null nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull Abstract nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 排灌机械工程学报 第 40 卷 nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 当今世界许多国家正面临水资源危机 nullnull 亿人 用水短缺 nullnull 亿人缺乏用水卫生设施 每年有约 nullnullnull 万人死于与水有关的疾病 null null在经济快速发展与水 资源短缺矛盾日趋严重的情况下 确保经济可持续 发展 制定科学的节水发展模式 具有重要的理论 和现实意义 null中国是农业大国 同时也是一个水资源 紧缺的国家 农业灌溉用水量占到总用水量的一半 以上 null null水资源危机带来的生态系统恶化和生物多 样性被破坏 也将严重威胁人类生存 null因此 节水是 人类面临的重要课题 null 对于节水技术 国内外学者都已进行了大量研 究 null王建国 null 指出 采用低压输水管道技术及高效的 新型灌溉节水技术 如生物技术 null信息技术以及智 能技术等 均可提高现有的节水灌溉效率 null农兰英 null 研究表明 应用真空节水技术并设置水表计量器等 可以实现建筑给排水中的节能节水 null王金辉 null 介绍 了水利工程建设中常用的节水灌溉技术 并分析了 节水灌溉水利工程施工技术要点 null闫伟等 null 提出加 大新型材料和设备的研发及推广应用可以降低供 水耗能 null郑巍 null 指出 研发可降解材料 null建立残膜回 收的长效机制 才能够提高水资源的利用率 降低 农业用水对于水资源的消耗 nullnullnullnullnull 等 null 在 nullnullnullnullnull nullnullnullnull 年进行用于冬小麦生产的微喷灌溉大田试验 结果表明 与传统的漫灌相比 nullnull nullnull 水微喷 null 次和 nullnullnull nullnull 水微喷 null 次的用水效率分别提高了 nullnullnullnullnull 和 nullnullnullnullnull 同时蒸散分别减少了 nullnullnullnullnull和 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 等 null 论述了采用 nullnullnull null 交替干湿法的 创新节水技术 null 在节水节能的设备方面 范小娟等 nullnull 通过对冷 却塔循环冷却水节能分析以及进塔水流的富裕能 量研究 开发了一种低比转数混流式水轮机 null谢坚 等 nullnull 为充分利用高层建筑采暖系统回水余压 开发 了一种微型混流式水轮机 以代替采暖系统中的回 水阻力调节阀 null张兰金等 nullnull 研制了一种由冷却塔中 冷却循环水驱动的微型水轮机 但该水轮机的水力 效率较低 水力损失较大 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 等 nullnull 利用 生活水箱及管道水流的残余压力 集成可再生资源 与供水设备 提出一种新的微管内水力发电系统 该系统可以部署在市政和农业灌溉区 产生可持续 的清洁能源 null 上述学者的研究大都在宏观层面分析论证应 用于冷却塔和采暖系统的微型水轮机 并未涉及应 用于农业灌溉的微型管道水轮机智慧发电系统 且 对于微型水轮机压力脉动的研究较少 null文中将详细 介绍应用于智慧农业灌溉的微型管道水轮机发电 系统 以及配套使用的前端和终端设备 并研究其 压力脉动特性 以期设备能高效稳定运行 从而达 到节水节能的目的 为智慧农业及物联网前端数据 采集提供一种可行的方案 null 1 微型管道水轮机的工作原理及设计 为解决水资源短缺及环保节能问题 文中设计 一种安装在水管中的微型水轮机 见图 null 利用管 道中的水流余压推动其旋转做功 从而带动发电机 旋转发电 进而对前端检测设备供电 null 图 null 微型管道水轮机结构模型 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 水轮机的转轮处于封闭管道中 水流在通过转 轮叶片流道时 始终是连续充满整个转轮的有压流 1174 第 11 期 李可欣 等 基于微水发电系统的智慧农业物联网设备研发及应用 动 并在转轮叶片的约束下 不断地改变流速的大 小和方向 从而在转轮叶片正背面形成一定的压力 差 驱动转轮旋转 null水轮机旋转产生的机械能通过发 电机转化为电能 是管道水流发电系统的重要设备 null 整个水流发电系统封闭安置于一个长方形盒 子中 盒子采用铁材料制成 尺寸为 nullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnull 如图 null 所示 null安装时 将盒子底部固定 盒子 的进水口和出水口分别与供水管相接 水流从水龙 头流出前先流经水轮机 带动发电机发电 null 图 null 水流发电系统封闭盒 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 根据国家管网供水压力服务规范的要求 城市 供水管网末梢的供水压力为 nullnullnullnull nullnullnull 即水头为 nullnull null 管道中水头大部分用于驱动水流流动 用于驱动 水轮机旋转做功的水头仅占小部分 null鉴于管道中存 在水力损失 取水头为 null nullnull根据实际自来水管规格尺 寸 四分管的直径为 nullnull nullnull 设定水流流速为 nullnullnull nullnull null 由流量计算公式可以求得设计流量为 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 水轮机初步设计为混流式 上冠和下环的形状 为曲线型 null转轮直径 D null null nullnull nullnull 转轮叶片数 Z null null nullnull 叶片厚度 nullnullnull nullnullnull固定导叶分布圆直径 D null nullnullnull nullnull 导叶数 Z null nullnullnull 选用负曲度叶型 null蜗壳选用圆形 和椭圆形断面相结合的形式 包角 null nullnullnullnullnullnull 选用直 锥形尾水管 尾水管长度 L nullnullnull nullnull 锥角 null nullnullnullnull 出 口直径受自来水管管径的限制 取 D nullnullnull nullnullnull 2 数值计算方法及验证 2 1 网格划分 应用 nullnullnullnull 软件对计算模型进行网格划分 由 于水轮机结构复杂 采用自适应性较强的非结构四 面体网格 对转轮及固定导叶等关键部位进行局部 加密以捕获复杂流场细节 并将近壁区的 y null 控制为 nullnullnullnullnullnullnull图 null 为微型管道水轮机网格划分示意图 null经 网格无关性验证 最终确定计算网格数约为 nullnullnull 万 网格质量均在 nullnullnullnull 以上 null 图 null 水轮机整体网格划分 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull 2 2 边界条件设置 数值计算采用三维不可压缩 null nullnull 方程 选用 nullnullnull knullnull 湍流模型 nullnull 计算精度设为 nullnull nullnull null选用无滑 移壁面 壁面粗糙度设为 nullnullnull nullnull进口边界条件设为 质量流量进口 进口流量 Q nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 出口边界条 件设置为静压出口 p null nullnull 转轮转速设为 null nullnullnull nullnull nullnullnull 转动方向为从上往下看为顺时针 null动静交界面 设置为冻结转子 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull 类型 null 2 3 初始模型及其优化后计算结果 经计算 初始模型水轮机出力为 nullnullnullnull null 效率 为 nullnullnullnullnullnull 未达到设计要求 需对其进行优化设计 null 优化设计目标为出力 P null nullnullnullnull null 以供配套检测设 备启动 效率为 nullnullnullnullnullnullnull 文中采用正交试验进行优化 选取效率和出力 为评判指标 null选择转轮叶片数 null固定导叶叶型 null固定 导叶数和固定导叶开度共 null 个因素进行试验 每个 因素取 null 个水平 null转轮叶片数的 null 个水平分别为 nullnull nullnull 和 nullnullnull固定导叶叶型的 null 个水平分别为负曲度导 叶 null对称曲度导叶和正曲度导叶 null固定导叶数的 null 个 水平分别为 nullnull nullnull 和 nullnullnull固定导叶开度的 null 个水平 分别为 nullnullnull nullnullnull 和 nullnullnullnull 设计一组四因素三水平 null null null null 的正交试验方案 并对 null 种不同方案在设计 流量点处的混流式水轮机性能进行计算 null 将 null 组计算结果分别进行直观分析 null极差分析 null 和综合频率分析 综合 null 种分析结果 确定最佳试验 方案为转轮叶片数 nullnull 固定导叶叶型选用负曲度导 叶 固定导叶数 nullnull 固定导叶开度 nullnullnullnull最佳试验方 案的出力为 nullnullnullnull null 效率为 nullnullnullnullnullnull 与初步设计方 案相比 分别提高了 nullnullnullnullnullnull和 nullnullnullnullnullnull 2 4 数值计算方法的试验验证 对优化后的微型管道水轮机进行模型试验测 试 为降低加工制造的难度 蜗壳和尾水管均采用 工程塑料聚酰胺材料 利用 nullnull 打印技术生产成型 null 按照 null null null 的模型比尺制作实物模型 如图 null 所示 null 1175 排灌机械工程学报 第 40 卷 图 null 水轮机实物模型 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull 试验在浙江省某公司自主研发的流量测试机 试验台 见图 null 上进行 null流速测量采用江苏南水水 务科技有限公司生产的 nullnullnullnullnullnullnull 型旋桨式流速仪 该仪器测速范围为 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 相对误差 nullnullnullnull 测量水管内 nullnull 个点处速度的平均值作为流速 null将模 型水轮机蜗壳进口安装在试验台上的水管出口处 通过流量测试机输入水轮机的进口流量值 启动测 试仪器 并用万用表测量电流 以计算出力 null 图 null 水轮机模型测试试验台 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull 通过试验测量了流速为 nullnullnull nullnullnull 即进口流量为 nullnullnullnullnull nullnullnullnull 时水轮机的运行情况 此时水轮机仍能 启动 但是出力很小 只有 nullnullnullnull null 试验可知该水轮 机在进口流量大于 nullnullnullnullnull nullnullnullnull 时均能启动 null 图 null 为不同流量工况下数值计算与试验测试得 到的出力曲线对比 null 图 null 不同工况下数值计算与试验的出力对比 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnu