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

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摘要：中國(guó)在農(nóng)業(yè)的發(fā)展上是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)而非強(qiáng)國(guó)。在國(guó)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(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)，發(fā)展光伏農(nóng)業(yè)勢(shì)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(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光線的實(shí)時(shí)追蹤，使得太陽(yáng)能光線的發(fā)電量任何時(shí)刻保證最大的發(fā)電量，穩(wěn)定能源基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步完善其余農(nóng)業(yè)所需領(lǐng)域，利用電能開(kāi)采地下水或水庫(kù)的水資源來(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)的灌溉，在通過(guò)建立智能控制系統(tǒng)對(duì)溫室大棚中的溫度、光亮度、氣體濃度等參數(shù)做進(jìn)一步調(diào)控，調(diào)節(jié)以滿足農(nóng)作物最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)時(shí)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(lái)源，一直是人類社會(huì)最為依賴的能源，從電力大規(guī)模開(kāi)采時(shí)，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(yáng)能在路燈領(lǐng)域破繭而出，利用太陽(yáng)能板存儲(chǔ)的電能為路燈供電，隨后太陽(yáng)能就更廣泛地應(yīng)用于日常生活，如家用太陽(yáng)能電器、太陽(yáng)能環(huán)保綠色汽車等，在航天領(lǐng)域有一席之位。其實(shí)關(guān)于太陽(yáng)能的應(yīng)用，不少專家學(xué)者也提出可拓展于農(nóng)業(yè)方面。利用太陽(yáng)能加持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)的雙創(chuàng)，是一個(gè)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(yáng)的光熱資源對(duì)溫室進(jìn)行加溫，從而農(nóng)作物的正常生產(chǎn)[1]。通過(guò)太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電的最值，依此開(kāi)發(fā)出一套太陽(yáng)能農(nóng)業(yè)智能控制系統(tǒng)，實(shí)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(wú)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(jì)出一套太陽(yáng)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(kāi)拓出對(duì)光線暗弱的一追蹤模塊，例如可采用光敏電阻作為光信號(hào)捕抓元件，利用光敏電阻的光電特性，對(duì)光的感知，開(kāi)發(fā)出基于光伏追蹤系統(tǒng)的信號(hào)采集模塊。對(duì)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(dǎo)率的現(xiàn)象稱為物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)[3]。光敏電阻特有的對(duì)光線強(qiáng)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(qiáng)度越強(qiáng)，其電阻就越小，如此可以產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，完成對(duì)光線的追捕，光敏電阻電路圖如圖1所示。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中增設(shè)光敏電阻，以步進(jìn)電機(jī)作為輸出執(zhí)行裝置，驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板對(duì)太陽(yáng)光線的追捕。在如何建設(shè)太陽(yáng)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(yáng)能電池板上，增設(shè)太陽(yáng)光信號(hào)采集裝置，整個(gè)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(zhǔn)確率高，壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)的單片機(jī)處理），步進(jìn)電機(jī)，太陽(yáng)能電池板，組成統(tǒng)一的光伏追蹤系統(tǒng)。在太陽(yáng)光光伏發(fā)電智能追蹤領(lǐng)域上，最主要的是保證太陽(yáng)能電池板在太陽(yáng)光的光線下，做實(shí)時(shí)視日運(yùn)動(dòng)（類似于向日葵追日效應(yīng)），以此來(lái)保證太陽(yáng)能發(fā)電量達(dá)到最大值，如此保證足夠的農(nóng)業(yè)用電。在太陽(yáng)能電磁板所輸出的電量上，太陽(yáng)能發(fā)電屬于直流電，如此對(duì)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(shí)，還需要對(duì)太陽(yáng)能的直流電做進(jìn)一步處理，依此，可以在農(nóng)場(chǎng)空閑場(chǎng)所，大量的建設(shè)該發(fā)電系統(tǒng)，將所發(fā)的電量進(jìn)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(zhǎng)過(guò)程中，離不開(kāi)適宜的光照，以及土壤濕度，光照及濕度這對(duì)于植物生長(zhǎng)非常重要的因素僅憑借工人的經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)不利于大規(guī)?？茖W(xué)化的種植農(nóng)產(chǎn)品，因此智能農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)就對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(guò)建造溫室大棚，通過(guò)電力提高所需的能量，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（可采用集成電路單片機(jī)充當(dāng)）進(jìn)行調(diào)控，調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度；調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境濕度；農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)二氧化碳濃度；促進(jìn)農(nóng)作物的光合作用，達(dá)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(yáng)能光伏提水系統(tǒng)[5]。在防蟲害的處理方面，可通過(guò)不同的燈管發(fā)射出不適宜害蟲的頻率光線，對(duì)害蟲進(jìn)行抑制，當(dāng)然這是在不傷害植株的前提條件下進(jìn)行的。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)。太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電作為整個(gè)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要能源，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化。

2太陽(yáng)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(bǔ)償式光伏農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益最高，使其應(yīng)用價(jià)值最大，本文描述一種應(yīng)用太陽(yáng)能光伏農(nóng)業(yè)方案。為使光利用效率達(dá)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(duì)于人造藍(lán)紫光源和紅光光源，其都為點(diǎn)光源，點(diǎn)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(zhǎng)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(yáng)能設(shè)備中，對(duì)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(jìn)行光合作用。高效的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)是十分關(guān)鍵的。而采用太陽(yáng)能發(fā)電的目的是將太陽(yáng)能先以電能的形式儲(chǔ)存，待光合作用中光反應(yīng)階段缺少光能時(shí)，再將存儲(chǔ)于蓄電池的電能通過(guò)紅燈、藍(lán)燈和紫燈將電能再轉(zhuǎn)化為藍(lán)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(bǔ)償?shù)臅r(shí)長(zhǎng)，電能儲(chǔ)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(cè)溫室大棚里面的各項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚里面的CO2濃度、溫度、光照強(qiáng)度，土壤濕度等做全面智能調(diào)控，以此達(dá)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(kāi)發(fā)空間立體農(nóng)業(yè)，將土地最大限度地運(yùn)用，同時(shí)還可以以此為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)農(nóng)作物無(wú)土栽培，通過(guò)在灌溉水中，混合農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的養(yǎng)料，利用計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)PID控制方法，調(diào)控水的流動(dòng)，從而及時(shí)地將農(nóng)作物根部的水分周而復(fù)始的進(jìn)行更換，從而保證農(nóng)作物根部所接觸的水分不會(huì)因廢物過(guò)多，從而導(dǎo)致根部壞死的現(xiàn)象，保證農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)人為主觀，將自然條件下生長(zhǎng)的農(nóng)作物，通過(guò)建立溫室大棚，將農(nóng)作物的外在生長(zhǎng)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(zhǎng)環(huán)境，而這一切都會(huì)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)配處理，通過(guò)智能調(diào)算，可為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供最為適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，而在此的基本上，減少人工成本的投入，因植物生長(zhǎng)所需的光能，控制系統(tǒng)所需的電能，大棚運(yùn)作的各項(xiàng)能源都來(lái)自光伏太陽(yáng)能，在理論上說(shuō)，光伏太陽(yáng)能溫室大棚的能量可達(dá)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(yáng)能發(fā)電實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)田間的灌溉系統(tǒng)，大棚種植內(nèi)的太陽(yáng)能溫度檢測(cè)、光伏發(fā)電大棚種植的智能控制、太陽(yáng)能殺蟲燈（太陽(yáng)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(zhǎng)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(dāng)飛蟲受到燈光引誘后將向燈管飛來(lái)，在靠近燈管之前首先碰到高壓電網(wǎng)，瞬時(shí)的高壓電擊會(huì)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(duì)飛蟲的撲殺[6]。以此完成殺蟲操作，減少殺蟲劑的使用，開(kāi)拓綠色農(nóng)業(yè)。如圖4所示為基于太陽(yáng)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(lái)自太陽(yáng)能電池板，依據(jù)光伏發(fā)電智能追蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電的最大極限，所產(chǎn)生的電能直接應(yīng)用于太陽(yáng)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(chǔ)，進(jìn)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(duì)電能進(jìn)行存儲(chǔ)。其中計(jì)算機(jī)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以農(nóng)業(yè)大棚作為控制對(duì)象，以農(nóng)業(yè)大棚中的溫度、光亮度、空氣含水量等對(duì)應(yīng)量為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，可通過(guò)智能控制系統(tǒng)的比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID）進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)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(dāng)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(zhǎng)環(huán)境，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，選取新型的了以太陽(yáng)能為發(fā)動(dòng)力的太陽(yáng)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(yáng)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(jī)結(jié)合，環(huán)境保護(hù)和資源利用方面與傳統(tǒng)塑料薄膜大棚相比改善進(jìn)步良多[7]。因此設(shè)計(jì)一個(gè)農(nóng)業(yè)大棚中，在農(nóng)作物的播種時(shí)，應(yīng)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)時(shí)，設(shè)定所需要的參數(shù)條件。或者挑選生長(zhǎng)環(huán)境相同的不同農(nóng)作物進(jìn)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(yǔ)。農(nóng)作物的重要性不言而喻。而對(duì)于2020年開(kāi)年來(lái)，自然災(zāi)害頻繁?；葹?zāi)引起的世界糧食問(wèn)題十分嚴(yán)峻。本文從智能光伏農(nóng)業(yè)角度出發(fā)，發(fā)展光補(bǔ)償式的光伏+農(nóng)業(yè)模式實(shí)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(zhǎng)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，可以在一定程度上緩解糧食緊缺問(wèn)題。通過(guò)該模式擴(kuò)展了光伏在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，在一定范圍內(nèi)推動(dòng)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(qiáng) 彭楚翰 單位：廣東理工學(xué)院