谈智能农业光伏发电追踪系统应用

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摘要：中国在农业的发展上是一个农业大国而非强国。在国家的快速发展中，农业方面的表现并不亮眼。如何突破现状，实现智能农业，发展光伏农业势在必行。本文从光伏农业角度出发，利用智能设备实现对太阳光线的实时追踪，使得太阳能光线的发电量任何时刻保证最大的发电量，稳定能源基础上可以进一步完善其余农业所需领域，利用电能开采地下水或水库的水资源来进行农业的灌溉，在通过建立智能控制系统对温室大棚中的温度、光亮度、气体浓度等参数做进一步调控，调节以满足农作物最适宜的生长环境，实时提高农作物所需的各种物质，以此提高农作物产量及其质量。

关键词：农业；智能；光伏发电；追踪系统

引言

在电能制造领域中，火电和水电这两大电力来源，一直是人类社会最为依赖的能源，从电力大规模开采时，水火两电几乎占尽了电力领域。而光伏发电起步晚，最初的应用仅局限于发电工业，而后太阳能在路灯领域破茧而出，利用太阳能板存储的电能为路灯供电，随后太阳能就更广泛地应用于日常生活，如家用太阳能电器、太阳能环保绿色汽车等，在航天领域有一席之位。其实关于太阳能的应用，不少专家学者也提出可拓展于农业方面。利用太阳能加持农业生产，实现太阳能产业和农业种植产业的双创，是一个较好的研究方向。光伏生态农业不仅可以节约大量的土地资源，而且可以最大限度地利用太阳的光热资源对温室进行加温，从而农作物的正常生产[1]。通过太阳能的支持，极大地节省所需占地面值，利用光伏发电智能追踪系统，实现太阳能发电的最值，依此开发出一套太阳能农业智能控制系统，实现农业智能化，提升农作物产量以及质量。

1光伏智能追踪构想

光伏发电能够有效解决无电地区的供电难题，并应用在取水灌溉，鱼塘供氧，荒漠治理，草原畜牧等领域中[2]。而如何在有限的地域，材料，设备的因素下极大地提高光伏发电的效率。可以设计出一套太阳能智能追踪装置，其原理在于可以依据光电传感器的应用，开拓出对光线暗弱的一追踪模块，例如可采用光敏电阻作为光信号捕抓元件，利用光敏电阻的光电特性，对光的感知，开发出基于光伏追踪系统的信号采集模块。对于光敏电阻的工作理论，某些物质吸收了光子的能量后，产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应[3]。光敏电阻特有的对光线强弱的感知特性，其光电特性在于其的电阻与外界光线成反比的关系，光线强度越强，其电阻就越小，如此可以产生相对应的信号，完成对光线的追捕，光敏电阻电路图如图1所示。在太阳能发电系统中增设光敏电阻，以步进电机作为输出执行装置，驱动太阳能电池板对太阳光线的追捕。在如何建设太阳能光伏发电智能追踪系统上，其构想如图2所示，在追踪的太阳能电池板上，增设太阳光信号采集装置，整个系统包括：中央处理系统（这里可以采用体积小，处理信息速度快，准确率高，寿命长等优势的单片机处理），步进电机，太阳能电池板，组成统一的光伏追踪系统。在太阳光光伏发电智能追踪领域上，最主要的是保证太阳能电池板在太阳光的光线下，做实时视日运动（类似于向日葵追日效应），以此来保证太阳能发电量达到最大值，如此保证足够的农业用电。在太阳能电磁板所输出的电量上，太阳能发电属于直流电，如此对于一些直流电的用电器，可以直接使用，所以在涉及农业用电为交流电时，还需要对太阳能的直流电做进一步处理，依此，可以在农场空闲场所，大量的建设该发电系统，将所发的电量进行经整流，逆变处理，应用于农业发展。在农作物的生长过程中，离不开适宜的光照，以及土壤湿度，光照及湿度这对于植物生长非常重要的因素仅凭借工人的经验，这个不利于大规模科学化的种植农产品，因此智能农业大棚的设计就对农作物的生长以及节省人力物力起到了关键性的作用[4]。如此农业可以通过建造温室大棚，通过电力提高所需的能量，由计算机控制系统（可采用集成电路单片机充当）进行调控，调节光照强度；调节农作物生长环境湿度；农业大棚内二氧化碳浓度；促进农作物的光合作用，达到在有限的地域环境，农作物大量增产的目的。在灌溉方面，建设太阳能光伏提水系统[5]。在防虫害的处理方面，可通过不同的灯管发射出不适宜害虫的频率光线，对害虫进行抑制，当然这是在不伤害植株的前提条件下进行的。进一步来说。太阳能光伏发电追踪智能系统是作为智能农业的基础，依据太阳能发电作为整个农业发展的重要能源，实现对农业生产的人为调节，打破原始农业受气候，地域的限制，全面实现农业智能化。

2太阳能光伏农业方案研究

为了使光伏发电与农业生产结合的光补偿式光伏农业的经济效益最高，使其应用价值最大，本文描述一种应用太阳能光伏农业方案。为使光利用效率达到最大，在农业生产上采用立体种植+大棚种植模式。立体种植模式可以在有限的土地面积生产更多的农作物。对于人造蓝紫光源和红光光源，其都为点光源，点光源的光线是发散型，立体种植可以更好地将光线吸收。大棚种植模式则可以有效控制农作物生长环境的温度、湿度，也有效减少水分的蒸发。光伏发电的太阳能设备中，对发电设备的安装不适合大面积搭建，以便农作物吸收足够的光线进行光合作用。高效的太阳能追踪系统是十分关键的。而采用太阳能发电的目的是将太阳能先以电能的形式储存，待光合作用中光反应阶段缺少光能时，再将存储于蓄电池的电能通过红灯、蓝灯和紫灯将电能再转化为蓝紫光和红光为植物光合作用提供光能。为了提供足够的电能支持光补偿的时长，电能储能装置（电容）的容量也应足够大。如图3所示，图中所构想的是以光伏发电为集成的智能农业结构图。在温室大棚内，铺设各种传感器，用于检测温室大棚里面的各项参数，通过将数据传输至计算机控制系统，从而实现对温室大棚里面的CO2浓度、温度、光照强度，土壤湿度等做全面智能调控，以此达到智能农业的生产效果。依据图3中3与4的梯式结构，可以开发空间立体农业，将土地最大限度地运用，同时还可以以此为基础，开发农作物无土栽培，通过在灌溉水中，混合农作物生长所需要的养料，利用计算机智能系统PID控制方法，调控水的流动，从而及时地将农作物根部的水分周而复始的进行更换，从而保证农作物根部所接触的水分不会因废物过多，从而导致根部坏死的现象，保证农作物的健康生长。总的来说，通过人为主观，将自然条件下生长的农作物，通过建立温室大棚，将农作物的外在生长环境做出有规律的调控，外界环境符合农作物的生长环境，而这一切都会通过计算机控制系统进行调配处理，通过智能调算，可为农作物的生长提供最为适宜的生长环境，而在此的基本上，减少人工成本的投入，因植物生长所需的光能，控制系统所需的电能，大棚运作的各项能源都来自光伏太阳能，在理论上说，光伏太阳能温室大棚的能量可达到自给自足，极大地节省农业生产成本。

3光伏发电在农业上的应用

利用太阳能发电实现农业田间的灌溉系统，大棚种植内的太阳能温度检测、光伏发电大棚种植的智能控制、太阳能杀虫灯（太阳能灭虫）等。诱虫灯利用昆虫趋光产生的反应行为，以相应波长的光波诱至高压电网等击杀，高压电网在诱虫灯的周围，当飞虫受到灯光引诱后将向灯管飞来，在靠近灯管之前首先碰到高压电网，瞬时的高压电击会直接将其毙死，毙死后的飞虫掉入托盘并集中到接虫袋中，完成对飞虫的扑杀[6]。以此完成杀虫操作，减少杀虫剂的使用，开拓绿色农业。如图4所示为基于太阳能的农业智能调控系统原理图，其中所需要的能源来自太阳能电池板，依据光伏发电智能追踪系统，实现对太阳能发电的最大极限，所产生的电能直接应用于太阳能的农业智能调控系统和农产品加工。而余量的电能可以利用蓄电池存储，进行并网，或因地制宜，建造小型的抽水蓄能发电站（这可作为农业灌溉系统中的蓄水池），对电能进行存储。其中计算机智能调节系统，以农业大棚作为控制对象，以农业大棚中的温度、光亮度、空气含水量等对应量为调节系统的调节参数，可通过智能控制系统的比例积分微分调节器（PID）进行调节，实现农业大棚中各种参数为农作物生产最最适宜的环境因素。当然，每一种农作物的不同，其生产环境也存在不同的生长环境，在系统设计的过程中，选取新型的了以太阳能为发动力的太阳能发电玻璃薄膜大棚。这种新型大棚将原本的塑料薄膜替换为光伏玻璃薄膜，并将大棚南墙改为一面太阳能板，充分利用了光伏产业成果，使光伏产业和农业有机结合，环境保护和资源利用方面与传统塑料薄膜大棚相比改善进步良多[7]。因此设计一个农业大棚中，在农作物的播种时，应经过计算机调节时，设定所需要的参数条件。或者挑选生长环境相同的不同农作物进行混种，极大地提高农业大棚的空间利用，提升农作物的产量。

4结论

粮食、农作物作为人的生存基础，自古便有民以食为天的俗语。农作物的重要性不言而喻。而对于2020年开年来，自然灾害频繁。蝗灾引起的世界粮食问题十分严峻。本文从智能光伏农业角度出发，发展光补偿式的光伏+农业模式实现智能农业光伏发电追踪系统，便于农作物生长，提高农作物产量，可以在一定程度上缓解粮食紧缺问题。通过该模式扩展了光伏在农业上的应用，在一定范围内推动了光伏产业的发展，也为农业的高产提供了一种解决方案。

参考文献：

[1]汤飞,洪再生,丛安琪.基于光伏技术的都市农业发展[J].江西社会科学,2014,34(4):66-69.

[2]闫丰.太阳能光伏在农业中的应用探讨[J].现代农业科技,2015(12):205+207.

[3]杨东,轩克辉,董雪峰.光敏电阻的特性及应用研究[J].山东轻工业学院学报(自然科学版),2013,27(2):49-52.

[4]程盼,张鑫,樊帅.基于物联网的智能农业大棚设计[J].计算机产品与流通,2019(6):130.

[5]盛绛,滕国荣,严建华,等.太阳能光伏水泵在农业方面的应用[J].农机化研究,2008(12):198-200.

[6]曾国揆.太阳能光伏杀虫灯在农业生产上的应用[J].农村实用技术,2017(4):42-43.

[7]韩胜军.太阳能在智能生态农业中的应用[J].居舍,2019(6):173.

作者：李欣雪 陈贵镔 江炼强 彭楚翰 单位：广东理工学院