談智能農業光伏發電追蹤系統應用
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摘要：中國在農業的發展上是一個農業大國而非強國。在國家的快速發展中，農業方面的表現并不亮眼。如何突破現狀，實現智能農業，發展光伏農業勢在必行。本文從光伏農業角度出發，利用智能設備實現對太陽光線的實時追蹤，使得太陽能光線的發電量任何時刻保證最大的發電量，穩定能源基礎上可以進一步完善其余農業所需領域，利用電能開采地下水或水庫的水資源來進行農業的灌溉，在通過建立智能控制系統對溫室大棚中的溫度、光亮度、氣體濃度等參數做進一步調控，調節以滿足農作物最適宜的生長環境，實時提高農作物所需的各種物質，以此提高農作物產量及其質量。
引言
在電能制造領域中，火電和水電這兩大電力來源，一直是人類社會最為依賴的能源，從電力大規模開采時，水火兩電幾乎占盡了電力領域。而光伏發電起步晚，最初的應用僅局限于發電工業，而后太陽能在路燈領域破繭而出，利用太陽能板存儲的電能為路燈供電，隨后太陽能就更廣泛地應用于日常生活，如家用太陽能電器、太陽能環保綠色汽車等，在航天領域有一席之位。其實關于太陽能的應用，不少專家學者也提出可拓展于農業方面。利用太陽能加持農業生產，實現太陽能產業和農業種植產業的雙創，是一個較好的研究方向。光伏生態農業不僅可以節約大量的土地資源，而且可以最大限度地利用太陽的光熱資源對溫室進行加溫，從而農作物的正常生產[1]。通過太陽能的支持，極大地節省所需占地面值，利用光伏發電智能追蹤系統，實現太陽能發電的最值，依此開發出一套太陽能農業智能控制系統，實現農業智能化，提升農作物產量以及質量。
1光伏智能追蹤構想
光伏發電能夠有效解決無電地區的供電難題，并應用在取水灌溉，魚塘供氧，荒漠治理，草原畜牧等領域中[2]。而如何在有限的地域，材料，設備的因素下極大地提高光伏發電的效率。可以設計出一套太陽能智能追蹤裝置，其原理在于可以依據光電傳感器的應用，開拓出對光線暗弱的一追蹤模塊，例如可采用光敏電阻作為光信號捕抓元件，利用光敏電阻的光電特性，對光的感知，開發出基于光伏追蹤系統的信號采集模塊。對于光敏電阻的工作理論，某些物質吸收了光子的能量后，產生本征吸收或雜質吸收，從而改變了物質電導率的現象稱為物質的光電導效應[3]。光敏電阻特有的對光線強弱的感知特性，其光電特性在于其的電阻與外界光線成反比的關系，光線強度越強，其電阻就越小，如此可以產生相對應的信號，完成對光線的追捕，光敏電阻電路圖如圖1所示。在太陽能發電系統中增設光敏電阻，以步進電機作為輸出執行裝置，驅動太陽能電池板對太陽光線的追捕。在如何建設太陽能光伏發電智能追蹤系統上，其構想如圖2所示，在追蹤的太陽能電池板上，增設太陽光信號采集裝置，整個系統包括：中央處理系統（這里可以采用體積小，處理信息速度快，準確率高，壽命長等優勢的單片機處理），步進電機，太陽能電池板，組成統一的光伏追蹤系統。在太陽光光伏發電智能追蹤領域上，最主要的是保證太陽能電池板在太陽光的光線下，做實時視日運動（類似于向日葵追日效應），以此來保證太陽能發電量達到最大值，如此保證足夠的農業用電。在太陽能電磁板所輸出的電量上，太陽能發電屬于直流電，如此對于一些直流電的用電器，可以直接使用，所以在涉及農業用電為交流電時，還需要對太陽能的直流電做進一步處理，依此，可以在農場空閑場所，大量的建設該發電系統，將所發的電量進行經整流，逆變處理，應用于農業發展。在農作物的生長過程中，離不開適宜的光照，以及土壤濕度，光照及濕度這對于植物生長非常重要的因素僅憑借工人的經驗，這個不利于大規模科學化的種植農產品，因此智能農業大棚的設計就對農作物的生長以及節省人力物力起到了關鍵性的作用[4]。如此農業可以通過建造溫室大棚，通過電力提高所需的能量，由計算機控制系統（可采用集成電路單片機充當）進行調控，調節光照強度；調節農作物生長環境濕度；農業大棚內二氧化碳濃度；促進農作物的光合作用，達到在有限的地域環境，農作物大量增產的目的。在灌溉方面，建設太陽能光伏提水系統[5]。在防蟲害的處理方面，可通過不同的燈管發射出不適宜害蟲的頻率光線，對害蟲進行抑制，當然這是在不傷害植株的前提條件下進行的。進一步來說。太陽能光伏發電追蹤智能系統是作為智能農業的基礎，依據太陽能發電作為整個農業發展的重要能源，實現對農業生產的人為調節，打破原始農業受氣候，地域的限制，全面實現農業智能化。
2太陽能光伏農業方案研究
為了使光伏發電與農業生產結合的光補償式光伏農業的經濟效益最高，使其應用價值最大，本文描述一種應用太陽能光伏農業方案。為使光利用效率達到最大，在農業生產上采用立體種植+大棚種植模式。立體種植模式可以在有限的土地面積生產更多的農作物。對于人造藍紫光源和紅光光源，其都為點光源，點光源的光線是發散型，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作物生長環境的溫度、濕度，也有效減少水分的蒸發。光伏發電的太陽能設備中，對發電設備的安裝不適合大面積搭建，以便農作物吸收足夠的光線進行光合作用。高效的太陽能追蹤系統是十分關鍵的。而采用太陽能發電的目的是將太陽能先以電能的形式儲存，待光合作用中光反應階段缺少光能時，再將存儲于蓄電池的電能通過紅燈、藍燈和紫燈將電能再轉化為藍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償的時長，電能儲能裝置（電容）的容量也應足夠大。如圖3所示，圖中所構想的是以光伏發電為集成的智能農業結構圖。在溫室大棚內，鋪設各種傳感器，用于檢測溫室大棚里面的各項參數，通過將數據傳輸至計算機控制系統，從而實現對溫室大棚里面的CO2濃度、溫度、光照強度，土壤濕度等做全面智能調控，以此達到智能農業的生產效果。依據圖3中3與4的梯式結構，可以開發空間立體農業，將土地最大限度地運用，同時還可以以此為基礎，開發農作物無土栽培，通過在灌溉水中，混合農作物生長所需要的養料，利用計算機智能系統PID控制方法，調控水的流動，從而及時地將農作物根部的水分周而復始的進行更換，從而保證農作物根部所接觸的水分不會因廢物過多，從而導致根部壞死的現象，保證農作物的健康生長。總的來說，通過人為主觀，將自然條件下生長的農作物，通過建立溫室大棚，將農作物的外在生長環境做出有規律的調控，外界環境符合農作物的生長環境，而這一切都會通過計算機控制系統進行調配處理，通過智能調算，可為農作物的生長提供最為適宜的生長環境，而在此的基本上，減少人工成本的投入，因植物生長所需的光能，控制系統所需的電能，大棚運作的各項能源都來自光伏太陽能，在理論上說，光伏太陽能溫室大棚的能量可達到自給自足，極大地節省農業生產成本。
3光伏發電在農業上的應用
利用太陽能發電實現農業田間的灌溉系統，大棚種植內的太陽能溫度檢測、光伏發電大棚種植的智能控制、太陽能殺蟲燈（太陽能滅蟲）等。誘蟲燈利用昆蟲趨光產生的反應行為，以相應波長的光波誘至高壓電網等擊殺，高壓電網在誘蟲燈的周圍，當飛蟲受到燈光引誘后將向燈管飛來，在靠近燈管之前首先碰到高壓電網，瞬時的高壓電擊會直接將其斃死，斃死后的飛蟲掉入托盤并集中到接蟲袋中，完成對飛蟲的撲殺[6]。以此完成殺蟲操作，減少殺蟲劑的使用，開拓綠色農業。如圖4所示為基于太陽能的農業智能調控系統原理圖，其中所需要的能源來自太陽能電池板，依據光伏發電智能追蹤系統，實現對太陽能發電的最大極限，所產生的電能直接應用于太陽能的農業智能調控系統和農產品加工。而余量的電能可以利用蓄電池存儲，進行并網，或因地制宜，建造小型的抽水蓄能發電站（這可作為農業灌溉系統中的蓄水池），對電能進行存儲。其中計算機智能調節系統，以農業大棚作為控制對象，以農業大棚中的溫度、光亮度、空氣含水量等對應量為調節系統的調節參數，可通過智能控制系統的比例積分微分調節器（PID）進行調節，實現農業大棚中各種參數為農作物生產最最適宜的環境因素。當然，每一種農作物的不同，其生產環境也存在不同的生長環境，在系統設計的過程中，選取新型的了以太陽能為發動力的太陽能發電玻璃薄膜大棚。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能板，充分利用了光伏產業成果，使光伏產業和農業有機結合，環境保護和資源利用方面與傳統塑料薄膜大棚相比改善進步良多[7]。因此設計一個農業大棚中，在農作物的播種時，應經過計算機調節時，設定所需要的參數條件。或者挑選生長環境相同的不同農作物進行混種，極大地提高農業大棚的空間利用，提升農作物的產量。
4結論
糧食、農作物作為人的生存基礎，自古便有民以食為天的俗語。農作物的重要性不言而喻。而對于2020年開年來，自然災害頻繁。蝗災引起的世界糧食問題十分嚴峻。本文從智能光伏農業角度出發，發展光補償式的光伏+農業模式實現智能農業光伏發電追蹤系統，便于農作物生長，提高農作物產量，可以在一定程度上緩解糧食緊缺問題。通過該模式擴展了光伏在農業上的應用，在一定范圍內推動了光伏產業的發展，也為農業的高產提供了一種解決方案。
參考文獻：
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[7]韓勝軍.太陽能在智能生態農業中的應用[J].居舍,2019(6):173.
作者：李欣雪 陳貴鑌 江煉強 彭楚翰 單位：廣東理工學院
