一種為滴灌系統(tǒng)供電的太陽能高效發(fā)電裝置

李應(yīng)生，孔新紅(.黃淮學(xué)院，河南 駐馬店 463000；. 駐馬店中波轉(zhuǎn)播臺(tái)，河南 駐馬店 463000))

0 引 言

我國是世界上最缺水的國家之一， 節(jié)約灌溉用水已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”問題。滴灌是一種節(jié)水、高效的局部灌溉技術(shù)。利用太陽能動(dòng)力進(jìn)行滴灌具有較高的省工、節(jié)能等特點(diǎn)，是生態(tài)建設(shè)與節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向。如何建立關(guān)于太陽能動(dòng)力滴灌的電站的系統(tǒng)計(jì)算模型，為太陽能高效發(fā)電滴灌系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，是領(lǐng)域內(nèi)迫在眉睫的工作。因此，本文的研究成果對(duì)解決能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，促進(jìn)生態(tài)建設(shè)與節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)在太陽能高效發(fā)電在滴灌系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)和最佳性價(jià)比的研究方面幾乎處于空白。

本文以我國中原地區(qū)的四種作物與種植模式為研究對(duì)象，在建立常規(guī)氣候與異常氣候情景下的太陽能發(fā)電滴灌系統(tǒng)的作物滴灌需水、耗水規(guī)律、生長與生產(chǎn)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析常規(guī)氣候與異常氣候情景下以太陽能發(fā)電為動(dòng)力的滴灌系統(tǒng)的作物耗水、耗水規(guī)律、生長與生產(chǎn)規(guī)律的主要參數(shù)，從而找出實(shí)際影響太陽能高效發(fā)電系統(tǒng)滿足滴灌系統(tǒng)動(dòng)力需求的關(guān)鍵因素和實(shí)際運(yùn)行規(guī)律。

1 光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置的研究方案

本文研究了一種新型二自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于太陽能跟蹤裝置，如圖1所示。其特征如下。

1，3-螺母桿組件；2，7-步進(jìn)電機(jī)；4-活動(dòng)支架與止推軸承；5，11-球形軸承；6-地面機(jī)架；8-活動(dòng)支架與轉(zhuǎn)動(dòng)組件；9-固定支座；10-光伏板支撐架；12-光伏板；13-光伏板支撐軸承；14-光伏板支撐軸；15-固定支架與止推軸承；16-高度角調(diào)整支座轉(zhuǎn)動(dòng)組件圖1 偏微分型光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Partial differential type photovoltaic power generation tracking control system structure diagram

固定光伏板12的光伏板支撐架10以兩個(gè)光伏特板支撐軸承13套在光伏板支撐軸14上，光伏板支撐軸14的兩端分用活動(dòng)支架與轉(zhuǎn)動(dòng)組件8和高度角調(diào)整支座轉(zhuǎn)動(dòng)組件16連接，活動(dòng)支架與轉(zhuǎn)動(dòng)組件8的下端通過轉(zhuǎn)動(dòng)組件與地面固定支座9相連接，活動(dòng)支架與轉(zhuǎn)動(dòng)組件8和高度角調(diào)整支座轉(zhuǎn)動(dòng)組件16的水平軸線必須與光伏板支撐軸14的軸線垂直；步進(jìn)電機(jī)2和螺母螺桿組件1的軸線必須平行，步進(jìn)電機(jī)2和螺母螺桿組件1的軸線必須與光伏板高度角調(diào)整支座轉(zhuǎn)動(dòng)組件16的軸線垂直；步進(jìn)電機(jī)7和螺母螺桿組件3的軸線必須平行，螺母螺桿組件3的上端通過球形軸承11與光伏板支撐架10的一個(gè)側(cè)邊相連接，螺母螺桿組件3的移動(dòng)部分通過活動(dòng)支架與止推軸承4、球形軸承5與地面機(jī)架6相連接；步進(jìn)電機(jī)7和螺母螺桿組件3的軸線通過活動(dòng)支架與止推軸承4、兩個(gè)球形軸承11與15實(shí)現(xiàn)了始終和光伏板支撐軸14的軸線保持垂直。

如圖1所示，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定值，太陽能電池組件光伏電池板12輸出的電壓達(dá)到機(jī)電控制系統(tǒng)的工作電壓時(shí)，單片機(jī)先讓步進(jìn)電機(jī)2斷電，螺母螺桿組件1不動(dòng)使高度角保持不變；而讓步進(jìn)電機(jī)7通電轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)螺母螺桿組件3，螺母螺桿組件3的移動(dòng)通過活動(dòng)支架與止推軸承4、球形軸承5、11與地面機(jī)架6推動(dòng)光伏板支撐架10帶動(dòng)光伏板12繞光伏板支撐軸14獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，來調(diào)整方位角使光伏板12上光照強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)，單片機(jī)讓步進(jìn)電機(jī)7斷電，螺母螺桿組件3不動(dòng)使方位角保持不變；而讓步進(jìn)電機(jī)2通電轉(zhuǎn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)螺母螺桿組件1，螺母螺桿組件1的移動(dòng)通過固定支架與止推軸承15、高度角調(diào)整支座轉(zhuǎn)動(dòng)組件16推動(dòng)光伏板支撐軸14繞高度角調(diào)整支座的轉(zhuǎn)動(dòng)組件16和活動(dòng)支架的轉(zhuǎn)動(dòng)組件8的軸線獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，來調(diào)整高度角使光伏電池板12上光照強(qiáng)度達(dá)到最大值。機(jī)電控制系統(tǒng)重復(fù)上述調(diào)整過程兩個(gè)周期后進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，每5～10 min工作3個(gè)周期，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光方位角和高度角的自動(dòng)跟蹤，保持光伏電池板12的光照強(qiáng)度處于最大狀態(tài)。該跟蹤裝置具有剛度高、重量輕、制造容易等優(yōu)點(diǎn)，可以在保證跟蹤精度的情況下，減少跟蹤能耗。

該跟蹤裝置的跟蹤過程具有偏微分方程的特性與求解特征，故稱為偏微分型光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置。需進(jìn)行偏微分型光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置不同結(jié)構(gòu)尺寸和不同控制電路的跟蹤精度與跟蹤能耗比較，設(shè)計(jì)光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置的機(jī)械部分和電路，編制電路控制程序及研制微分型光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置。

2 光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤研究方案

根據(jù)光伏電池板的輸出伏瓦特性建立光伏板的Matlab仿真模型，利用實(shí)測的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)分別進(jìn)行“電壓擾動(dòng)法”、三點(diǎn)比較法跟蹤光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)，即MPPT控制方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真可知，“電壓擾動(dòng)法”跟蹤有較好的跟蹤效率，但存在光照強(qiáng)變化時(shí)跟蹤的誤動(dòng)作，造成光照強(qiáng)度變化時(shí)輸出電壓波動(dòng)大的問題。三點(diǎn)比較法跟蹤顯著改善了“電壓擾動(dòng)法”跟蹤的缺點(diǎn)，輸出電壓波動(dòng)幅度小，跟蹤光強(qiáng)迅速，能夠使光電轉(zhuǎn)換效率提高20%～30%。

“電壓擾動(dòng)法”跟蹤是通過比較電路將本次光伏電池板輸出的功率和上次光伏板輸出的功率相比較，由比較電路來控制增加或減少光伏電池板工作電壓來實(shí)現(xiàn)MPPT的方法。如圖2所示，若(P2-P1)>0，說明光伏電池板工作于上坡段，即最大功率點(diǎn)Pm的左側(cè)，需繼續(xù)增大工作電壓，從左邊向最大功率點(diǎn)Pm靠近；若(P4-P3)<0，說明光伏電池板工作于最大功率點(diǎn)Pm的右側(cè)，需減小工作電壓，從右邊向最大功率點(diǎn)Pm靠近；若(P2-P1)=0或者(P4-P3)=0，說明光伏電池板工作于最大功率點(diǎn)Pm，工作電壓在光照強(qiáng)度變化之前應(yīng)保持不變。

圖2 “電壓擾動(dòng)法”跟蹤原理圖Fig.2 “Voltage perturbation” tracking principle diagram

“電壓擾動(dòng)法”跟蹤存在著光照強(qiáng)度變化時(shí)電壓波動(dòng)大的缺陷。如圖3所示，當(dāng)光伏板工作于最大功率點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，光照強(qiáng)度如由El減小為E2，光伏電池板由上一時(shí)刻的輸出的功率P1變?yōu)楫?dāng)前時(shí)刻的輸出的功率P2，按照“電壓擾動(dòng)法”跟蹤原理可知，(P2-P1)<0，控制電路會(huì)誤解為光伏電池板工作于最大功率點(diǎn)Pm的右側(cè)，“電壓擾動(dòng)法”的控制電路會(huì)使工作電壓減小，而實(shí)際上工作電壓應(yīng)該增大才能向最大功率點(diǎn)靠近。當(dāng)光伏電池板工作于最大功率點(diǎn)的右側(cè)時(shí)，光照強(qiáng)度如由E2增大為El，光伏電池板由上一時(shí)刻的輸出的功率P4變?yōu)楫?dāng)前時(shí)刻的輸出的功率P5，按照“電壓擾動(dòng)法”跟蹤原理，(P5-P4)>0，控制電路會(huì)誤解為光伏電池板工作于最大功率點(diǎn)Pm的左側(cè)，“電壓擾動(dòng)法”的控制電路會(huì)使工作電壓增大，而實(shí)際上工作電壓應(yīng)該減小才能向最大功率點(diǎn)靠近。這就造成“電壓擾動(dòng)法”跟蹤在光照強(qiáng)變化時(shí)跟蹤的誤動(dòng)作，也是造成“電壓擾動(dòng)法”跟蹤存在著光照強(qiáng)度變化時(shí)輸出電壓波動(dòng)大的問題的內(nèi)在原因。

圖3 三點(diǎn)比較法光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤原理圖Fig.3 Principle of three point comparison method of photovoltaic maximum power point tracking

三點(diǎn)比較法跟蹤就是為解決這個(gè)問題提出的新方法。三點(diǎn)比較法跟蹤增加了下一時(shí)刻電壓對(duì)應(yīng)的輸出功率參與比較。如圖3所示，當(dāng)光照強(qiáng)度由El減小為E2，光伏電池板由上一時(shí)刻的輸出的功率P1變?yōu)楫?dāng)前時(shí)刻的輸出的功率P2，下一時(shí)刻的電壓對(duì)應(yīng)的輸出功率為P3，比較結(jié)果為(P2-P1)<0，P3>P2；當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí)比較結(jié)果為(P2-P1)>0，P3>P2；這兩種比較結(jié)果控制電路都斷定為光伏電池板工作于最大功率點(diǎn)Pm的左側(cè)，控制電路會(huì)增加工作電壓從右邊向最大功率點(diǎn)Pm靠近；當(dāng)光照強(qiáng)度由E2增大為El，光伏電池板由上一時(shí)刻的輸出的功率P4變?yōu)楫?dāng)前時(shí)刻的輸出的功率P5，下一時(shí)刻的電壓對(duì)應(yīng)的輸出功率為P6，控制電路的比較結(jié)果為(P5-P4)>0，P6

當(dāng)Pi+1-Pi=0,Pi+2=Pi+1時(shí)，控制電路就斷定為光伏電池板工作于最大功率點(diǎn)Pm區(qū)域，控制電路會(huì)保持工作電壓不變。

三點(diǎn)比較法跟蹤解決了“電壓擾動(dòng)法”在光照強(qiáng)變化時(shí)跟蹤的誤動(dòng)作問題，有利于提高最大功率點(diǎn)的跟蹤效率。這里需解決的關(guān)鍵問題是進(jìn)行光伏發(fā)電三點(diǎn)比較法最大功率點(diǎn)跟蹤控制器電路的比較與優(yōu)化研究，編制與優(yōu)化單片機(jī)電路控制程序，研制光伏發(fā)電三點(diǎn)比較法最大功率點(diǎn)跟蹤控制器。軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示。單片機(jī)不斷地對(duì)采樣電壓、電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，比較，調(diào)整PWM值，調(diào)節(jié)占空比，通過判斷與控制使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)區(qū)域。

圖4 光伏發(fā)電三點(diǎn)比較法最大功率點(diǎn)跟蹤控制器控制流程圖Fig.4 PV three point comparison method of maximum power point tracking controller control flow chart

3 研制方案的應(yīng)用

本項(xiàng)目組將建立的常規(guī)氣候與異常氣候情景下四種作物與種植模式的以太陽能發(fā)電為動(dòng)力的滴灌系統(tǒng)的作物滴灌需水、耗水規(guī)律、生長與生產(chǎn)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，分析常規(guī)氣候與異常氣候情景下四種作物與種植模式的作物耗水與滴灌溉需水、耗水、生長與生產(chǎn)主要參數(shù)。找出影響以太陽能高效發(fā)電為動(dòng)力的滴灌系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)和最佳性價(jià)比參數(shù),依據(jù)這些參數(shù)研制太陽能滴灌自動(dòng)控制裝置、光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置與光伏發(fā)電三點(diǎn)比較法最大功率點(diǎn)跟蹤控制器。采用研制的偏微分型光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置、光伏發(fā)電三點(diǎn)比較法最大功率點(diǎn)跟蹤控制器與以太陽能為動(dòng)力的滴灌自動(dòng)控制裝置，研制樣機(jī)，通過試用樣機(jī)與數(shù)學(xué)模型計(jì)算，進(jìn)行樣機(jī)優(yōu)化。

在研制太陽能高效發(fā)電滴灌系統(tǒng)時(shí)，將太陽能高效發(fā)電部分設(shè)計(jì)為移動(dòng)式發(fā)電站，將滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)為固定式，使移動(dòng)式太陽能高效發(fā)電站都能與不同滴灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最佳匹配，有效提高移動(dòng)式太陽能高效發(fā)電站的利用率。在作物不需要灌溉時(shí)，移動(dòng)式太陽能高效發(fā)電站可用于解決單戶或多戶或小型機(jī)械的供電，還可將移動(dòng)式太陽能高效發(fā)電站同儲(chǔ)能電池結(jié)合作為移動(dòng)設(shè)備的電源。由此促進(jìn)太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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