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談智能農(nóng)業(yè)光伏發(fā)電追蹤系統(tǒng)應(yīng)用

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談智能農(nóng)業(yè)光伏發(fā)電追蹤系統(tǒng)應(yīng)用

摘要:中國在農(nóng)業(yè)的發(fā)展上是一個農(nóng)業(yè)大國而非強國。在國家的快速發(fā)展中,農(nóng)業(yè)方面的表現(xiàn)并不亮眼。如何突破現(xiàn)狀,實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè),發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)勢在必行。本文從光伏農(nóng)業(yè)角度出發(fā),利用智能設(shè)備實現(xiàn)對太陽光線的實時追蹤,使得太陽能光線的發(fā)電量任何時刻保證最大的發(fā)電量,穩(wěn)定能源基礎(chǔ)上可以進一步完善其余農(nóng)業(yè)所需領(lǐng)域,利用電能開采地下水或水庫的水資源來進行農(nóng)業(yè)的灌溉,在通過建立智能控制系統(tǒng)對溫室大棚中的溫度、光亮度、氣體濃度等參數(shù)做進一步調(diào)控,調(diào)節(jié)以滿足農(nóng)作物最適宜的生長環(huán)境,實時提高農(nóng)作物所需的各種物質(zhì),以此提高農(nóng)作物產(chǎn)量及其質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè);智能;光伏發(fā)電;追蹤系統(tǒng)

引言

在電能制造領(lǐng)域中,火電和水電這兩大電力來源,一直是人類社會最為依賴的能源,從電力大規(guī)模開采時,水火兩電幾乎占盡了電力領(lǐng)域。而光伏發(fā)電起步晚,最初的應(yīng)用僅局限于發(fā)電工業(yè),而后太陽能在路燈領(lǐng)域破繭而出,利用太陽能板存儲的電能為路燈供電,隨后太陽能就更廣泛地應(yīng)用于日常生活,如家用太陽能電器、太陽能環(huán)保綠色汽車等,在航天領(lǐng)域有一席之位。其實關(guān)于太陽能的應(yīng)用,不少專家學者也提出可拓展于農(nóng)業(yè)方面。利用太陽能加持農(nóng)業(yè)生產(chǎn),實現(xiàn)太陽能產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)的雙創(chuàng),是一個較好的研究方向。光伏生態(tài)農(nóng)業(yè)不僅可以節(jié)約大量的土地資源,而且可以最大限度地利用太陽的光熱資源對溫室進行加溫,從而農(nóng)作物的正常生產(chǎn)[1]。通過太陽能的支持,極大地節(jié)省所需占地面值,利用光伏發(fā)電智能追蹤系統(tǒng),實現(xiàn)太陽能發(fā)電的最值,依此開發(fā)出一套太陽能農(nóng)業(yè)智能控制系統(tǒng),實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化,提升農(nóng)作物產(chǎn)量以及質(zhì)量。

1光伏智能追蹤構(gòu)想

光伏發(fā)電能夠有效解決無電地區(qū)的供電難題,并應(yīng)用在取水灌溉,魚塘供氧,荒漠治理,草原畜牧等領(lǐng)域中[2]。而如何在有限的地域,材料,設(shè)備的因素下極大地提高光伏發(fā)電的效率??梢栽O(shè)計出一套太陽能智能追蹤裝置,其原理在于可以依據(jù)光電傳感器的應(yīng)用,開拓出對光線暗弱的一追蹤模塊,例如可采用光敏電阻作為光信號捕抓元件,利用光敏電阻的光電特性,對光的感知,開發(fā)出基于光伏追蹤系統(tǒng)的信號采集模塊。對于光敏電阻的工作理論,某些物質(zhì)吸收了光子的能量后,產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收,從而改變了物質(zhì)電導率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導效應(yīng)[3]。光敏電阻特有的對光線強弱的感知特性,其光電特性在于其的電阻與外界光線成反比的關(guān)系,光線強度越強,其電阻就越小,如此可以產(chǎn)生相對應(yīng)的信號,完成對光線的追捕,光敏電阻電路圖如圖1所示。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中增設(shè)光敏電阻,以步進電機作為輸出執(zhí)行裝置,驅(qū)動太陽能電池板對太陽光線的追捕。在如何建設(shè)太陽能光伏發(fā)電智能追蹤系統(tǒng)上,其構(gòu)想如圖2所示,在追蹤的太陽能電池板上,增設(shè)太陽光信號采集裝置,整個系統(tǒng)包括:中央處理系統(tǒng)(這里可以采用體積小,處理信息速度快,準確率高,壽命長等優(yōu)勢的單片機處理),步進電機,太陽能電池板,組成統(tǒng)一的光伏追蹤系統(tǒng)。在太陽光光伏發(fā)電智能追蹤領(lǐng)域上,最主要的是保證太陽能電池板在太陽光的光線下,做實時視日運動(類似于向日葵追日效應(yīng)),以此來保證太陽能發(fā)電量達到最大值,如此保證足夠的農(nóng)業(yè)用電。在太陽能電磁板所輸出的電量上,太陽能發(fā)電屬于直流電,如此對于一些直流電的用電器,可以直接使用,所以在涉及農(nóng)業(yè)用電為交流電時,還需要對太陽能的直流電做進一步處理,依此,可以在農(nóng)場空閑場所,大量的建設(shè)該發(fā)電系統(tǒng),將所發(fā)的電量進行經(jīng)整流,逆變處理,應(yīng)用于農(nóng)業(yè)發(fā)展。在農(nóng)作物的生長過程中,離不開適宜的光照,以及土壤濕度,光照及濕度這對于植物生長非常重要的因素僅憑借工人的經(jīng)驗,這個不利于大規(guī)??茖W化的種植農(nóng)產(chǎn)品,因此智能農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計就對農(nóng)作物的生長以及節(jié)省人力物力起到了關(guān)鍵性的作用[4]。如此農(nóng)業(yè)可以通過建造溫室大棚,通過電力提高所需的能量,由計算機控制系統(tǒng)(可采用集成電路單片機充當)進行調(diào)控,調(diào)節(jié)光照強度;調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境濕度;農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)二氧化碳濃度;促進農(nóng)作物的光合作用,達到在有限的地域環(huán)境,農(nóng)作物大量增產(chǎn)的目的。在灌溉方面,建設(shè)太陽能光伏提水系統(tǒng)[5]。在防蟲害的處理方面,可通過不同的燈管發(fā)射出不適宜害蟲的頻率光線,對害蟲進行抑制,當然這是在不傷害植株的前提條件下進行的。進一步來說。太陽能光伏發(fā)電追蹤智能系統(tǒng)是作為智能農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ),依據(jù)太陽能發(fā)電作為整個農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要能源,實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人為調(diào)節(jié),打破原始農(nóng)業(yè)受氣候,地域的限制,全面實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化。

2太陽能光伏農(nóng)業(yè)方案研究

為了使光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合的光補償式光伏農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益最高,使其應(yīng)用價值最大,本文描述一種應(yīng)用太陽能光伏農(nóng)業(yè)方案。為使光利用效率達到最大,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上采用立體種植+大棚種植模式。立體種植模式可以在有限的土地面積生產(chǎn)更多的農(nóng)作物。對于人造藍紫光源和紅光光源,其都為點光源,點光源的光線是發(fā)散型,立體種植可以更好地將光線吸收。大棚種植模式則可以有效控制農(nóng)作物生長環(huán)境的溫度、濕度,也有效減少水分的蒸發(fā)。光伏發(fā)電的太陽能設(shè)備中,對發(fā)電設(shè)備的安裝不適合大面積搭建,以便農(nóng)作物吸收足夠的光線進行光合作用。高效的太陽能追蹤系統(tǒng)是十分關(guān)鍵的。而采用太陽能發(fā)電的目的是將太陽能先以電能的形式儲存,待光合作用中光反應(yīng)階段缺少光能時,再將存儲于蓄電池的電能通過紅燈、藍燈和紫燈將電能再轉(zhuǎn)化為藍紫光和紅光為植物光合作用提供光能。為了提供足夠的電能支持光補償?shù)臅r長,電能儲能裝置(電容)的容量也應(yīng)足夠大。如圖3所示,圖中所構(gòu)想的是以光伏發(fā)電為集成的智能農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)圖。在溫室大棚內(nèi),鋪設(shè)各種傳感器,用于檢測溫室大棚里面的各項參數(shù),通過將數(shù)據(jù)傳輸至計算機控制系統(tǒng),從而實現(xiàn)對溫室大棚里面的CO2濃度、溫度、光照強度,土壤濕度等做全面智能調(diào)控,以此達到智能農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效果。依據(jù)圖3中3與4的梯式結(jié)構(gòu),可以開發(fā)空間立體農(nóng)業(yè),將土地最大限度地運用,同時還可以以此為基礎(chǔ),開發(fā)農(nóng)作物無土栽培,通過在灌溉水中,混合農(nóng)作物生長所需要的養(yǎng)料,利用計算機智能系統(tǒng)PID控制方法,調(diào)控水的流動,從而及時地將農(nóng)作物根部的水分周而復始的進行更換,從而保證農(nóng)作物根部所接觸的水分不會因廢物過多,從而導致根部壞死的現(xiàn)象,保證農(nóng)作物的健康生長。總的來說,通過人為主觀,將自然條件下生長的農(nóng)作物,通過建立溫室大棚,將農(nóng)作物的外在生長環(huán)境做出有規(guī)律的調(diào)控,外界環(huán)境符合農(nóng)作物的生長環(huán)境,而這一切都會通過計算機控制系統(tǒng)進行調(diào)配處理,通過智能調(diào)算,可為農(nóng)作物的生長提供最為適宜的生長環(huán)境,而在此的基本上,減少人工成本的投入,因植物生長所需的光能,控制系統(tǒng)所需的電能,大棚運作的各項能源都來自光伏太陽能,在理論上說,光伏太陽能溫室大棚的能量可達到自給自足,極大地節(jié)省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

3光伏發(fā)電在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

利用太陽能發(fā)電實現(xiàn)農(nóng)業(yè)田間的灌溉系統(tǒng),大棚種植內(nèi)的太陽能溫度檢測、光伏發(fā)電大棚種植的智能控制、太陽能殺蟲燈(太陽能滅蟲)等。誘蟲燈利用昆蟲趨光產(chǎn)生的反應(yīng)行為,以相應(yīng)波長的光波誘至高壓電網(wǎng)等擊殺,高壓電網(wǎng)在誘蟲燈的周圍,當飛蟲受到燈光引誘后將向燈管飛來,在靠近燈管之前首先碰到高壓電網(wǎng),瞬時的高壓電擊會直接將其斃死,斃死后的飛蟲掉入托盤并集中到接蟲袋中,完成對飛蟲的撲殺[6]。以此完成殺蟲操作,減少殺蟲劑的使用,開拓綠色農(nóng)業(yè)。如圖4所示為基于太陽能的農(nóng)業(yè)智能調(diào)控系統(tǒng)原理圖,其中所需要的能源來自太陽能電池板,依據(jù)光伏發(fā)電智能追蹤系統(tǒng),實現(xiàn)對太陽能發(fā)電的最大極限,所產(chǎn)生的電能直接應(yīng)用于太陽能的農(nóng)業(yè)智能調(diào)控系統(tǒng)和農(nóng)產(chǎn)品加工。而余量的電能可以利用蓄電池存儲,進行并網(wǎng),或因地制宜,建造小型的抽水蓄能發(fā)電站(這可作為農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的蓄水池),對電能進行存儲。其中計算機智能調(diào)節(jié)系統(tǒng),以農(nóng)業(yè)大棚作為控制對象,以農(nóng)業(yè)大棚中的溫度、光亮度、空氣含水量等對應(yīng)量為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù),可通過智能控制系統(tǒng)的比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID)進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚中各種參數(shù)為農(nóng)作物生產(chǎn)最最適宜的環(huán)境因素。當然,每一種農(nóng)作物的不同,其生產(chǎn)環(huán)境也存在不同的生長環(huán)境,在系統(tǒng)設(shè)計的過程中,選取新型的了以太陽能為發(fā)動力的太陽能發(fā)電玻璃薄膜大棚。這種新型大棚將原本的塑料薄膜替換為光伏玻璃薄膜,并將大棚南墻改為一面太陽能板,充分利用了光伏產(chǎn)業(yè)成果,使光伏產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)有機結(jié)合,環(huán)境保護和資源利用方面與傳統(tǒng)塑料薄膜大棚相比改善進步良多[7]。因此設(shè)計一個農(nóng)業(yè)大棚中,在農(nóng)作物的播種時,應(yīng)經(jīng)過計算機調(diào)節(jié)時,設(shè)定所需要的參數(shù)條件。或者挑選生長環(huán)境相同的不同農(nóng)作物進行混種,極大地提高農(nóng)業(yè)大棚的空間利用,提升農(nóng)作物的產(chǎn)量。

4結(jié)論

糧食、農(nóng)作物作為人的生存基礎(chǔ),自古便有民以食為天的俗語。農(nóng)作物的重要性不言而喻。而對于2020年開年來,自然災(zāi)害頻繁?;葹?zāi)引起的世界糧食問題十分嚴峻。本文從智能光伏農(nóng)業(yè)角度出發(fā),發(fā)展光補償式的光伏+農(nóng)業(yè)模式實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)光伏發(fā)電追蹤系統(tǒng),便于農(nóng)作物生長,提高農(nóng)作物產(chǎn)量,可以在一定程度上緩解糧食緊缺問題。通過該模式擴展了光伏在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用,在一定范圍內(nèi)推動了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也為農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)提供了一種解決方案。

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作者:李欣雪 陳貴鑌 江煉強 彭楚翰 單位:廣東理工學院