基于光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的太陽能除草機研究

彭曉雷

(廈門理工學(xué)院,福建 廈門 361022)

0 引言

種植過程中,土地上的雜草會與農(nóng)作物競爭陽光、肥料等資源,影響農(nóng)作物的生長。另外,雜草還是各類害蟲的棲息地,嚴重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量[1]。目前,除草的方法主要包括機械法、化學(xué)方法、生物法和人力法等方式[2]:生物除草方式由于環(huán)境的局限性使用較少;化學(xué)方法對環(huán)境污染較大,且容易使雜草產(chǎn)生抗藥性,不建議使用;人力方法除草效果較好,但工作效率過低;機械法適用范圍較廣,環(huán)境污染少,除草效果良好,且效率高,使用最為廣泛。

目前,國內(nèi)外對除草機的研究較多,包括除草過程中對農(nóng)田中雜草的識別、除草機的除草路徑控制規(guī)劃和導(dǎo)航等技術(shù)[3],但對于除草機的能量供應(yīng)則研究較少。大部分的除草機需要與電源連接,由電源實時提供電量,導(dǎo)致除草機的工作范圍受限,僅僅能夠在有能量供應(yīng)的區(qū)域使用或者在電線可到達范圍內(nèi)使用;或者通過蓄電池提供能量,但這種方式下除草機不能夠長時間連續(xù)使用。太陽能除草機是利用太陽能作為動力源,不需要電源實時供電,還可以儲存電量,在雨天或者晚上輸出電量繼續(xù)進行作業(yè),實現(xiàn)長時間的除草作業(yè)。

光電轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng),將光能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。這種技術(shù)以光電池作為電源和光電轉(zhuǎn)換器,具有轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、無污染的特點。因此可以將其應(yīng)用于太陽能除草機的研制。

1 硬件設(shè)計

1.1 技術(shù)路線

該除草機的主要組成包括光電轉(zhuǎn)換模塊、視覺模塊、控制模塊、行走系統(tǒng)和除草系統(tǒng),其主要流程如圖1所示。

圖1 除草機主要流程圖

1.2 光電轉(zhuǎn)換模塊

該系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換模塊組成主要由光電轉(zhuǎn)換器、傳感器、升壓穩(wěn)壓電路和透鏡耦合組成。其中,透鏡耦合是將太陽能利用透鏡的發(fā)散作用照射到光電轉(zhuǎn)換器表面;光電轉(zhuǎn)換器的作用是將太陽能轉(zhuǎn)換成電能,可以作為光電池使用,需要具有高轉(zhuǎn)換效率、壽命長和性能穩(wěn)定等特點。光能經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器作用后釋放的電壓較小,且隨光照強度的變化電壓也在變化,不能為除草機提供持續(xù)穩(wěn)定的電流,因此需要升壓穩(wěn)壓電路將電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定電壓進行輸出,多余的電量儲存在電池中用于后續(xù)的晚上或者陰天無陽光情況下使用。

1.3 視覺模塊

視覺模塊用于獲取圖像、確定雜草位置、定位等,為后續(xù)的除草工序做準備,主要流程為攝像機采集、圖像預(yù)處理及雜草特征提取。其中,攝像機用于采集數(shù)字圖像,并將圖像傳遞給圖像處理軟件進行預(yù)處理;雜草特征提取主要提取包括雜草的顏色、紋理和形狀特征等,并將這些特征傳遞給系統(tǒng)軟件,通過分析確定雜草及其位置,將結(jié)果傳遞給控制中心,以便以除草系統(tǒng)工作。

1.4 控制模塊

控制模塊是除草機的核心控制模塊,通過接受視覺模塊提供的雜草信息和環(huán)境信息,對信息進行處理,自動調(diào)整除草機的工作參數(shù);當工作狀態(tài)改變時,自動改變運動參數(shù)以適應(yīng)工作狀態(tài)。

1.5 行走系統(tǒng)

行走系統(tǒng)主要包括步進電機、傳動系統(tǒng)和車輪。為實現(xiàn)移動功能,除草機選擇移動小車的結(jié)構(gòu)。移動小車有輪式、履帶式等運動方式[4],綜合比較這幾種運動方式,并結(jié)合除草機的工作效率、承載能力和結(jié)構(gòu)簡單的要求,采用四輪式除草機,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過在小車的3和4驅(qū)動輪上各安裝1個步進電機實現(xiàn)小車的行進,利用輪子的速度差實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。

圖2 四輪式除草機結(jié)構(gòu)示意圖

1.6 除草系統(tǒng)和輔助功能

除草系統(tǒng)是除草機的執(zhí)行機構(gòu)主要包括電機、傳動系統(tǒng)和除草刀具。除草系統(tǒng)由電機帶動傳動系統(tǒng)運動,進而控制除草刀具做旋轉(zhuǎn)運動。通過分析除草機的功能可知,其需要實現(xiàn)對植物行間和株間雜草的清除。為此,首先需要確定除草劑的刀具類型,通過比較各類刀具模型及該除草機的功能要求,選擇圓盤式除草刀具,除草原理如圖3所示。進行除草作業(yè)時,刀具旋轉(zhuǎn)進入土地中,不僅可以通過旋轉(zhuǎn)方式去除行間和株間的雜草,還可以進行土地的翻種,達到松土的目的,有效改善了植物的生長環(huán)境[5]。

圖3 圓盤式除草刀具除草示意圖

輔助功能主要包括顯示器等硬件,用于顯示除草機在工作過程中的各項參數(shù)及對除草機的運動控制。

2 光電池設(shè)計原理

在理想狀態(tài)下,當處于光照條件恒定的環(huán)境時,光電池可以等效于一個理想電流和二極管并聯(lián),并與負載電阻R串聯(lián)。但是在實際情況下,由于光電池本身有電阻率、電線導(dǎo)體自身的電阻及擴散時的薄膜電阻的存在,需要在光電池線路上串聯(lián)1個電阻Rm;同時,由于電極的金屬化處理處理時,在晶界、晶粒缺陷和微觀裂紋處會有電流產(chǎn)生,導(dǎo)致漏電流[6],因此還需要在光電池上并聯(lián)一個電阻Rp。由此得到實際光電池的等效電路如圖4所示。

圖4 實際光電池等效電路圖

由圖4可知光電流I為

I=S·ρ

其中,S為光電池的有效受光面積,ρ為經(jīng)過電阻R的光電流密度。

經(jīng)過并聯(lián)電阻Rp的電流Ip為

其中,V為負載R兩端的電壓。當有光線照射到光電池時,光電池內(nèi)部有1個PN結(jié),PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢,該電動勢產(chǎn)生的光生電流Iph,同時還有經(jīng)過二極管的正向電流ID。此時,負載R的電流I為

I=Iph-ID-Im

通過對以上二式進行變換得到

其中,Vq為光電流的二極管的外加電壓。

同時,有下面的關(guān)系存在,即

Vq=V+IRp

當光電池處于正向偏置[7]時,也就是在等效電路中,光電池的電壓V等于負載的電流I和電阻R的乘積,經(jīng)過二極管的電流ID可簡化為指數(shù)形式,即

其中,I0和A分別為光電池PN結(jié)的電流因子和結(jié)構(gòu)因子。

當光電池處于理想狀態(tài)時,光電池串聯(lián)電阻Rp趨于0,并聯(lián)電阻Rm趨于無窮大,此時經(jīng)過二極管的電流和光生電流Iph方向相反[8]。此時,在光照條件下負載R的電流I為

當負載R=0時,光電池斷路電流和光生電流相等,且與光照強度呈正比。當負載R趨于無窮大,此時經(jīng)過負載R的電流趨于0,開路電壓Vc為

在有光照和無光照條件下,光電池的電流和電壓關(guān)系如圖5所示。其中,曲線a為有光照條件,b為無光照條件。

圖5 光電池電流和電壓關(guān)系圖

在光電池設(shè)計制造時,需要同時考慮光電池的材料、結(jié)構(gòu)和制作工藝,保證光電池的使用壽命、電池輸出功率和光電轉(zhuǎn)化效率。在使用過程中,需要在安全范圍內(nèi)有較高的光照強度及光照頻率等。當光電池安裝在除草機上時,應(yīng)使其具有較強的適用性;在除草過程的路線規(guī)劃時,盡量避免陰影的遮擋,保證為除草機提供足夠的電量,使其能夠長時間穩(wěn)定作業(yè)。

3 試驗結(jié)果

為驗證太陽能除草機的性能,需要對其進行試驗驗證。由于該除草機的光電轉(zhuǎn)換模塊為除草機提供持續(xù)的電量,除草系統(tǒng)執(zhí)行除草功能,這兩個功能為除草機的核心功能,因此主要對光電轉(zhuǎn)換模塊和除草系統(tǒng)進行試驗驗證。

3.1 光電轉(zhuǎn)換模塊驗證

將該光電轉(zhuǎn)換模塊置于室外連續(xù)3天進行24h試驗驗證,測量其不同時間的輸出電壓和電流,并繪制曲線,以驗證該光電轉(zhuǎn)換模塊是否能夠持續(xù)不斷地提供恒定的電壓,如圖6所示。

圖6 光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓和電流結(jié)果

由圖6可知:該光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出電流、輸出電壓比較穩(wěn)定;在白天,隨著光照強度的增加,蓄電池的電量由供需平衡轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆娔Ｊ?直到電量充滿;隨著光照強度由白天至夜晚逐漸降低,光電轉(zhuǎn)換提供的電量不足以供應(yīng)除草機的作業(yè)。此時,由蓄電池將儲存的電量輸出,雖然輸出電流有所降低,但仍可以為除草機提供作業(yè)所需電量。

3.2 除草試驗驗證

在光電轉(zhuǎn)換模塊安裝在除草機上以后,將其在50m×50m土地進行除草試驗。將土地區(qū)域劃分為5行,行之間為過道,除草機即在中間過道行駛,驗證其是否能夠?qū)⑿虚g和株間的雜草清除干凈。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 農(nóng)田除草試驗結(jié)果

由表1可知:除草機基本可以將田間和農(nóng)田內(nèi)部區(qū)域的雜草清理干凈,但對于株間較接近農(nóng)作物的雜草會有遺漏。這主要是由于在進行雜草清除時需要避開農(nóng)作物區(qū)域,因而造成農(nóng)作物附近的雜草容易被遺漏。

4 結(jié)論

1)針對太陽能除草機進行了研究,并基于光電轉(zhuǎn)換技術(shù)進行了設(shè)計,主要組成包括光電轉(zhuǎn)換模塊、視覺模塊、控制模塊、行走系統(tǒng)和除草系統(tǒng)。

2)除草機的能量供給通過光電轉(zhuǎn)換模塊提供,從而保證除草機的長時間作業(yè)。

3)試驗結(jié)果表明:除草機可以獲得持續(xù)穩(wěn)定的電流和電壓,以實現(xiàn)行間和株間的雜草清除。