分布式農(nóng)田用光伏支架系統(tǒng)研究*

路文輝，劉志馨，顧 浩，周靜偉，張馨丹

（長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

0 引言

能源經(jīng)濟(jì)是賴以持續(xù)存在的可發(fā)展的和發(fā)展活動(dòng)起來(lái)的重要支柱，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)規(guī)模化的不斷擴(kuò)大，社會(huì)對(duì)太陽(yáng)能源需求也在不斷擴(kuò)大，太陽(yáng)能源更是成為人們?nèi)粘Ｉ鐣?huì)生活中的一種重要支柱。這種新興可再生利用能源技術(shù)是目前國(guó)際大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)再生能源的主要發(fā)展策略選擇。2017年10月，國(guó)土資源部和國(guó)務(wù)院扶貧辦、國(guó)家能源局共同聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于支持光伏扶貧和規(guī)范光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)用地的意見(jiàn)》，提出了光伏扶貧電站中可繼續(xù)利用的農(nóng)村未開(kāi)發(fā)使用地，不得直接占據(jù)農(nóng)村耕地；可以繼續(xù)使用劣地，不允許占用好的土地。禁止利用任何形式占領(lǐng)基本農(nóng)田，嚴(yán)禁在有關(guān)國(guó)家法律規(guī)定明確禁止的地區(qū)開(kāi)發(fā)光伏電力。分布光伏電機(jī)具體是指在用戶的附近安裝分布光伏電機(jī)，再通過(guò)某種方式把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成用戶可以直接使用的電力。根據(jù)中國(guó)2013年12月30日公布的第二次全國(guó)土地調(diào)查結(jié)果，中國(guó)共有13 538.5萬(wàn)hm2的耕地，與203 077萬(wàn)畝相比，現(xiàn)在可以穩(wěn)定地利用我國(guó)的土地面積相差超過(guò)1.2億hm2；近幾年，農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)農(nóng)作物的播種面積為24億～25億畝，考慮復(fù)種和間套作的情況，耕地應(yīng)為19億畝左右，耕地總面積龐大，分布農(nóng)田光伏系統(tǒng)的發(fā)展前景廣闊[1]。提高光電轉(zhuǎn)換效率，提高逆變器轉(zhuǎn)換效率，增加太陽(yáng)輻射利用度，保持最大的光伏電板功率跟蹤。光伏系統(tǒng)的效率提高目前主要通過(guò)4種方式。根據(jù)目前的技術(shù)條件，要進(jìn)一步提高光伏電池轉(zhuǎn)換效率，就需要降低光伏電池的轉(zhuǎn)換成本；逆變器轉(zhuǎn)換的效率超過(guò)95%，很難大幅提高；大多數(shù)光伏反變器產(chǎn)品都將增加太陽(yáng)輻射利用率作為一個(gè)基本的功能。本文將研發(fā)一種適用于農(nóng)田的光伏支架系統(tǒng)，在不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的情況下，提高光伏照射量，提高光伏發(fā)電效率的支架，并確定其適用范圍[2]。

1 適用農(nóng)田的光伏支架設(shè)計(jì)

1.1 常見(jiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械數(shù)據(jù)分析

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展較晚，大型農(nóng)業(yè)機(jī)械已發(fā)展至470萬(wàn)臺(tái)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度達(dá)到70%。因此，適應(yīng)農(nóng)耕機(jī)械化的設(shè)計(jì)是光伏支架的首要考慮因素。目前，常見(jiàn)的農(nóng)用機(jī)械分以下幾大種類(lèi)：

1）耕地整理機(jī)械。①拖拉機(jī)：運(yùn)輸、動(dòng)力機(jī)械。②旋耕機(jī)：主要作用是平整土地，將大塊的土疙瘩破碎成細(xì)土。③起壟機(jī)：在種地的時(shí)候?qū)⑼恋仄饓牛阌诟材しN植。

2）種子類(lèi)。①拌種機(jī)：為了將種子與保護(hù)性的種子農(nóng)藥混合，防止播種時(shí)被病蟲(chóng)害侵害。②播種機(jī)：主要作用是將種子播撒到地里。

3）采收類(lèi)。①各類(lèi)糧食作物收割機(jī)（小麥?zhǔn)崭顧C(jī)、水稻收割機(jī)、玉米收割機(jī)）。②脫粒機(jī)：在聯(lián)合收割機(jī)沒(méi)有出現(xiàn)之前常見(jiàn)的，主要的作用是將作物的籽粒提取。③烘干機(jī)：烘干籽粒。

4）植保類(lèi)。①噴霧器：噴灑農(nóng)藥及葉面肥，這些年又多了電動(dòng)的、汽油的、柴油的等等。②農(nóng)用航空噴霧器。常用農(nóng)業(yè)機(jī)械參數(shù)詳情見(jiàn)表1。

表1 常用農(nóng)業(yè)機(jī)械參數(shù)一覽

由表1可知，大型聯(lián)合收割機(jī)外形尺寸（長(zhǎng)、寬、高）為3 136×1 350×1 420（單位/mm），轉(zhuǎn)彎半徑在9 000～12 000（單位/mm）。

在進(jìn)行光伏支架設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大導(dǎo)致光伏支架鋪設(shè)密度過(guò)低，鋪設(shè)范圍過(guò)大，光照利用率過(guò)低。農(nóng)田用光伏支架鋪設(shè)寬度宜在4 200～6 000（單位/mm）。因此，可以得出如下結(jié)論：在應(yīng)用常用拖拉機(jī)、起壟機(jī)和播種機(jī)的耕地，可以適用光伏支架；大型聯(lián)合收割機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大，已經(jīng)不適宜光伏支架的鋪設(shè)，不能應(yīng)用[3]。

1.2 支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于支架系統(tǒng)材料的選擇，采用C型鋼材料。C型鋼的質(zhì)量是±1.88kg/m，每跨支架的C型鋼梁有3個(gè)2m長(zhǎng)，質(zhì)量大約是11.2kg，長(zhǎng)度是1.72m的C型鋼的前后柱，質(zhì)量大約是6.47kg。其他組件包括：光伏板、連桿、絲桿、轉(zhuǎn)臺(tái)座、聯(lián)動(dòng)板、絲母和聯(lián)軸器。每跨支架C型鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為47.63kg。

對(duì)于支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)連軸器十字軸與連桿配合，并連接光伏電板。連桿帶動(dòng)一排光伏電板的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光伏電板的一套控制系統(tǒng)控制多個(gè)光伏電板。光伏支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體如圖1所示。

圖1 支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行光伏支架設(shè)計(jì)時(shí)，底部需要增加水泥配重，以防止光伏支架發(fā)生傾斜甚至倒塌。為此，設(shè)計(jì)每跨支架2個(gè)底部配重，底部配重采用材料為水泥，其密度約2 500 kg/m3，前支墩為0.4m×0.4m×0.2m，一側(cè)配重質(zhì)量約為80kg。兩側(cè)配重質(zhì)量約為160kg。

高度過(guò)高會(huì)使支架抗風(fēng)負(fù)擔(dān)加大，對(duì)支架的穩(wěn)定性和安全性造成一定的不良影響。嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成人員受傷以及財(cái)產(chǎn)損失。為此，農(nóng)田用光伏支架高度不宜超過(guò)2.3m，可適用于除大型聯(lián)合收割機(jī)外的農(nóng)田。

2 追光程序的設(shè)計(jì)

追光程序的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮它的可靠、穩(wěn)定和實(shí)用。程序設(shè)計(jì)的硬件探測(cè)裝置提供了5 V電壓，使用arduino nano芯片計(jì)算出太陽(yáng)方位角，ds1302芯片計(jì)算出反饋。首先，外部獨(dú)立測(cè)光光電傳感器在當(dāng)前是白天之后，控制時(shí)鐘ds1302模塊就開(kāi)始計(jì)算，此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始工作，自主測(cè)光儀豎直角舵和垂直高度角舵自動(dòng)重新啟動(dòng)，然后開(kāi)始了太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤模式。單片機(jī)首先對(duì)兩個(gè)固定在扇形外殼底部的水平角光電傳感器進(jìn)行初始化，當(dāng)兩者均為設(shè)定閾值并且光照強(qiáng)度與預(yù)先設(shè)置的差距小于原定值時(shí)，水平方位舵機(jī)就不再能運(yùn)行，此時(shí)太陽(yáng)的方位角是最佳的角度；當(dāng)差值超出所設(shè)范圍時(shí)，主控芯片arduino nano將水平角舵機(jī)控制，對(duì)比兩者光電傳感器的光照強(qiáng)度是多大，完成比較后將其偏轉(zhuǎn)到那一方向，通過(guò)兩者的差值變換為脈沖，使得自主測(cè)光器能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)太陽(yáng)方位角。接下來(lái)對(duì)兩個(gè)光電傳感器進(jìn)行了檢測(cè)，得到了確切的太陽(yáng)高度角，其檢測(cè)原理與水平光電傳感器相一致。該系統(tǒng)設(shè)定為30min運(yùn)行一次，當(dāng)單片機(jī)通過(guò)ds1302的時(shí)鐘計(jì)算得到30min為單位的整數(shù)倍時(shí)，該系統(tǒng)將重新進(jìn)行一次新的檢測(cè)。直到外部獨(dú)立測(cè)光裝置檢查的光照強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值，即黑夜時(shí)系統(tǒng)不再工作，并使該裝置自動(dòng)恢復(fù)到初始位置即復(fù)位[4]。程序電路圖如圖2所示。

圖2 追光程序電路圖

光電感應(yīng)器是用于測(cè)量太陽(yáng)光線的照射強(qiáng)度，用來(lái)判定是白天還是黑夜。當(dāng)太陽(yáng)照射強(qiáng)度小于預(yù)定的工作光照時(shí)，即黑夜，就會(huì)給芯片關(guān)閉工作信號(hào)，自主測(cè)光器進(jìn)行復(fù)位，自主測(cè)量?jī)x不能檢測(cè)，自主測(cè)量器也不能工作，舵機(jī)也不能運(yùn)行，執(zhí)行設(shè)備的太陽(yáng)電池陣列一直保持方位角、高度角的最后不變；當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定工作強(qiáng)度時(shí)，即白天，芯片控制自主測(cè)光器開(kāi)始工作，水平和垂直的光電傳感器開(kāi)始測(cè)量光線是直射，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)自主測(cè)光器在水平0～20°、豎直0～90°范圍內(nèi)確定角度，執(zhí)行設(shè)備也開(kāi)始實(shí)施[5]。

跟蹤光電感應(yīng)器的功能是探測(cè)太陽(yáng)方位和高度角，利用了最小差異原理。如果太陽(yáng)光線和扇形的開(kāi)口面以及旋轉(zhuǎn)筒的開(kāi)口不垂直于90°，光電傳感器的輸出光照強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生明顯的偏差，將光照強(qiáng)度值和兩個(gè)單片機(jī)的差值返回到一個(gè)單片機(jī)，利用大小的差值確定轉(zhuǎn)動(dòng)角，控制舵機(jī)偏向兩個(gè)數(shù)值較小的方向，然后再進(jìn)行差值比較。直到兩個(gè)光電感器之間的光照強(qiáng)度值差距幾乎是零，才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的跟蹤程序。