太陽能割草機的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

王敏 王軍洋

0 引言

割草機（又稱除草機、剪草機、草坪修剪機）是用于輔助修剪與整理草坪、植被的機械工具。太陽能割草機是一種以太陽能為動力的割草機。相比于其他太陽能產品的快速發(fā)展，太陽能割草機的研究進展緩慢。目前，國際市場上的太陽能割草機只有寥寥幾款，而國內市場幾乎是空白。本文從技術的角度，對太陽能割草機的發(fā)展現(xiàn)狀及關鍵技術問題進行分析，為我國太陽能割草機的研究和開發(fā)提供借鑒。

1 太陽能割草機的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外太陽能割草機的發(fā)展現(xiàn)狀

世界上最早研究太陽能割草機的是瑞典的Husqvarna 公司。該公司研制的太陽能割草機能自動工作，外圍面覆蓋著多晶硅太陽能光伏電池，可將日光能轉換為電能，與只利用蓄電池的割草機相比，在光照條件充足的條件下優(yōu)勢明顯，其割草面積可以增加25%[1]。它能夠自主躲避園內有樹影的位置，隨著時間推移，陰影位置改變后，會重新回到該位置作業(yè)。

美國的一家名叫“路易斯安那州室外生產”的公司，獨立設計研制出了一款稱為“Weed Eater”的全自動草坪割草機。該割草機外形獨特、靈活輕便，重約5.63 kg，能以事先埋在草坪邊界的導線為限制，在34 個太陽能光伏電池的驅動下在一定的區(qū)域內自動工作。1994 年，“Weed Eater”割草機被評為美國重要科技成果[2]。

在以汽油機為動力的割草機的基礎上，美國洪堡州立大學學生Jeremy James 改裝出了一款太陽能割草機。該太陽能割草機將原有的汽油發(fā)動機更換成蓄電池進行割草作業(yè)。太陽能電池板被設計人員固定在某一位置，及時為蓄電池補充電能。在此概念的基礎上，由美國北愛荷華大學學生設計了一款草坪割草機，該草坪割草機的太陽能電池板可與割草機一起運動，在陽光遮蔽或陰天情況下，能夠為割草機的蓄電池充電6小時，滿足割草機正常工作1 小時。

加拿大Linamar Corp 設計研發(fā)了一款太陽能割草機，蓄電池依靠在割草機作業(yè)區(qū)域安裝的太陽能充電站進行電能補給。該割草機選用的是無刷直流電機，作業(yè)時產生的噪音低，具備遙控控制能力，動作靈活，操作簡單。

上述幾種割草機都是利用太陽能電池板和蓄電池組合作為割草機作業(yè)的動力源[2]，其明顯的優(yōu)勢是噪音低，對環(huán)境友好，操作簡單，適宜一般家庭庭院使用。缺點是受充電方式和體積影響，不足以支撐大面積草坪修剪的需要。

1.2 國內太陽能割草機研究現(xiàn)狀

國內對太陽能割草機的研究起步較晚，只有短短十幾年，因此投放到市面上的產品極少，其中比較有代表性的有肩背式太陽能割草機（如圖1所示），它是由桂林一家生物環(huán)保能源公司研制生產。它率先將太陽能應用在割草機上，對國內太陽能割草機技術的積累，起到了關鍵作用。除此之外，上海一家信息技術公司研制了RBZG001太陽能割草機（如圖2 所示）。RBZG001 太陽能割草機具備高智能圖像識別功能、視頻自主檢測和行駛路線自動識別功能，能夠自主避障并能攀登一定坡度的草坪，可以滿足復雜環(huán)境的草坪割草工作。

國內的太陽能割草機技術水平較低，相關技術研究工作還處于剛剛起步階段，太陽能光伏發(fā)電技術在割草機上的應用也只是局限在一些高等院校、科研單位進行實驗性的研究與探索，不具備商業(yè)化條件。南京理工大學[3-5]對太陽能割草機的總體、動力能源系統(tǒng)、控制技術等方面進行了深入研究，取得了一定成果，積累了豐富的經驗，為國內太陽能割草機后續(xù)的發(fā)展提供了理論和技術支持。

圖1 肩背式太陽能割草機

圖2 RBZG001 太陽能割草機

2 關鍵技術分析

太陽能割草機的設計概念主要是圍繞通過太陽能光伏電池模塊將太陽輻射能直接轉化為電能，再通過電動機驅動割草刀片旋轉進行的。以太陽能電動汽車為例，研究顯示，采用太陽能光伏電池取代內燃機，每輛汽車尾氣的二氧化碳排放量可減少43%～54%，同時能夠節(jié)省能源30%～50%。太陽能割草機上的太陽能電池、控制器、蓄電池和驅動電機等取代了傳統(tǒng)割草機上的發(fā)動機、傳動機構和減速裝置等相關部件，割草機的整體結構得到極大簡化，相應的關鍵技術也發(fā)生了變化，主要集中在光電轉換技術、最大功率點追蹤技術、車體技術和能量管理系統(tǒng)技術等方面。

2.1 光電轉換技術

光電轉換是指通過光電效應或光化學效應將太陽輻射能直接轉換成電能的過程。太陽能光伏電池是光電轉換的主要裝置，也是太陽能割草機能量轉換的核心裝置。太陽能光伏電池的普及應用面臨如下問題：一是太陽能光伏電池的光電轉換效率較低；二是現(xiàn)階段太陽能光伏電池板生產制造成本較高。

美國貝爾實驗室早在1954 年就成功地研制出了第一代太陽能光伏電池，目前，太陽能光伏電池已經進入到第三代發(fā)展期。第一代太陽能電池板以硅材料為主，主要包括單晶硅、多晶硅以及非晶硅等。盡管硅材料的使用存在弊端，但因成本低及技術優(yōu)勢，仍是太陽能光伏電池的主要材料，約占太陽能光伏電池產品市場份額的90%[6]。第二代太陽能電池板是基于薄膜材料技術上的一種新型太陽能光伏電池，可分為碲化鎘、銅銦硒化物、銅銦鎵硒化物、砷化鎵等。薄膜電池使用的材料較晶體硅電池少，容易實現(xiàn)批量生產，能大大降低生產成本?，F(xiàn)階段，能夠成功用于商用的薄膜電池的轉換效率只有6%～8%。新南威爾士大學對太陽能光伏電池中能量損失機理的研究發(fā)現(xiàn)，造成太陽能電池轉換效率低的原因主要集中在熱損失上。這一發(fā)現(xiàn)使得人類在探索太陽能光伏電池發(fā)電技術上翻開了新的一頁。太陽能電池將光能轉換成電能的卡諾循環(huán)效率可以達到95%，但是電池材料的工藝技術成熟程度和制造成本，都不能和第一代硅太陽能電池相提并論。因此，研究人員在開發(fā)與研制出低成本、高效率的太陽能電池材料上，仍然有很長的路要走。

2.2 最大功率點追蹤技術

研究數據顯示，太陽能光伏電池的輸出特性由于受到外部環(huán)境（日照強度、溫度、負載）及本身技術指標（輸出阻抗）等因素影響，其輸出功率和電壓會在一定的范圍內變化，并會在某點處獲得最大輸出功率，即“最大功率點”(Maximum Power Point，MPP)。采用一定的技術手段使太陽能電池始終保持在MPP 處工作，能最大限度的提高系統(tǒng)發(fā)電效率，減少發(fā)電成本，該項技術就是最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT）。目前的MPPT 算法主要分為兩大類，一類是傳統(tǒng)算法及其改進算法，另一類是基于現(xiàn)代控制理論的人工智能算法及其改進算法[7]。

傳統(tǒng)算法主要包括恒定電壓法，電導增量法和擾動觀察法等。傳統(tǒng)算法存在追蹤精度和速度不足，以及不能解決多峰情況下的追蹤問題。人工智能算法主要包含粒子群優(yōu)化算法、模糊邏輯控制算法、遺傳算法和神經網絡算法等[8]。這類算法在解決實時追蹤問題上具有巨大的優(yōu)勢，但也存在局限性，由于該類算法大多是以前人研究經驗為基礎，是實驗科學，參數的選取需要在大量實驗的基礎上進行，具有一定的隨機性和偶然性，對于不同的問題，參數的選取不具有統(tǒng)一性，在不同的光伏系統(tǒng)進行尋優(yōu)時，每次都需要重新進行參數選擇，工作量較大。

2.3 車體技術

受技術發(fā)展限制，現(xiàn)有的太陽能光伏電池光電轉換效率較低，要想滿足太陽能割草機作業(yè)所需的功率，只能選擇通過增加太陽能電池板的面積來實現(xiàn)，但這必然會使車體結構過大，能耗增加。此外，受制造材料性能的制約，目前使用的大部分太陽能光伏電池不具備柔性，很大程度上限制了車身外形的設計。車體輕量化技術研究是提高系統(tǒng)效率的另一有效措施。汽車鋁業(yè)協(xié)會調研數據顯示，汽車車體質量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%[9]。因此，優(yōu)化車身結構，選擇使用輕量化材料是降低整車質量、提高整車效率的有效手段。減輕車體的質量對提高燃油經濟性有顯著影響[10]。

2.4 能量管理系統(tǒng)技術

能量管理系統(tǒng)技術的研究在太陽能割草機的應用中至關重要，該技術不僅需要預測系統(tǒng)負荷情況，評估蓄電池的狀態(tài)，還需要實現(xiàn)光伏電力在蓄電池充電和多種電器性負載用電之間的合理調度[11]。能量管理系統(tǒng)技術的研究對提高太陽能車輛的續(xù)航里程、提高蓄電池的使用壽命以及降低成本有著重要的意義。

王曉璨等人[12]基于SG3525 設計了一款光伏電動車供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了PC 電池輸出的利用率，但在太陽能光伏電池模塊的優(yōu)化上，未引入MPPT 功能，電池輸出功率較低的問題無法解決，且該控制電路相對較復雜，需要實時檢測總線電壓。

趙潤富等人[13]提出了一種太陽能電動車輛的能量管理控制策略，其概念主要是：采用MPPT功能，最大程度地控制太陽能光伏電池工作在最大功率點處，光電轉換效率最佳，同時由蓄電池動態(tài)調節(jié)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定為負載供電，而當蓄電池的充電電壓過高或飽和充電，并且光伏電池輸出功率大于負載所消耗的功率時，光伏電池控制電路會主動調整輸出模式，轉變?yōu)楹銐狠敵觯ω撦d和蓄電池提供能量。通過該能量控制策略，可主動實現(xiàn)系統(tǒng)工作模式的動態(tài)切換，保證負載長期平穩(wěn)運行。

柏莉[14]介紹了一種雙輸入DC/DC 轉換電路，在實現(xiàn)光蓄互補的同時，實現(xiàn)MPPT 控制器和雙輸入DC/DC 轉換電路的控制。然而，該轉換電路的缺點是電路復雜，穩(wěn)定性和可靠性還需要通過大量實驗進一步驗證。

盡管能量管理系統(tǒng)技術受到了較多研究者的關注，研究有一定進展，但是技術并不成熟，主要是蓄電池的容量與其電壓、電流呈現(xiàn)嚴重的非線性關系，同時能量管理系統(tǒng)還缺乏準確的數學模型。

3 割草機的發(fā)展趨勢

機器操作使用方便是各廠家研究和推廣的重點。現(xiàn)階段各廠家在割草高度可調節(jié)、機器帶導線纏繞架和四輪萬向結構等方面作出了有效改進。

3.1 無線化

隨著蓄電池技術的快速發(fā)展和推廣應用以及高性能環(huán)保電池制造成本的大幅度降低，研制擺脫電線的無線電割草機成為可能。雖然目前市場有一些以蓄電池為儲能器的割草機，但因為其電池容量大、成本高，并沒有得到用戶的青睞。如果能將儲能電池與太陽能電池板結合作為割草機的動力源，將會有利于打開無線割草機市場。

3.2 智能化

割草機的另一個重要發(fā)展趨勢是智能化。所謂的智能化是指割草機能自主完成修剪整理草坪作業(yè)，無需人為直接控制和操作，具有自動防止碰撞、自動電池電量檢測、自動返回充電等功能，具備一定爬坡能力。

4 結語

割草機經歷了200 多年的發(fā)展，已由最初的畜力拖動發(fā)展到現(xiàn)在的太陽能電池驅動，但由于太陽能割草機的光電轉換技術、車體技術以及能源管理系統(tǒng)技術與割草機的實際需要還存在差距，適合大面積、長時間作業(yè)的割草機還有諸多技術難題需要解決，太陽能割草機的性能有待進一步改善，應用范圍有待進一步拓寬。