分布式農田用光伏支架系統研究*

路文輝，劉志馨，顧 浩，周靜偉，張馨丹

（長春工程學院，吉林 長春 130000）

0 引言

能源經濟是賴以持續存在的可發展的和發展活動起來的重要支柱，伴隨著我國經濟社會規模化的不斷擴大，社會對太陽能源需求也在不斷擴大，太陽能源更是成為人們日常社會生活中的一種重要支柱。這種新興可再生利用能源技術是目前國際大多數發達國家對再生能源的主要發展策略選擇。2017年10月，國土資源部和國務院扶貧辦、國家能源局共同聯合印發了《關于支持光伏扶貧和規范光伏發電產業用地的意見》，提出了光伏扶貧電站中可繼續利用的農村未開發使用地，不得直接占據農村耕地；可以繼續使用劣地，不允許占用好的土地。禁止利用任何形式占領基本農田，嚴禁在有關國家法律規定明確禁止的地區開發光伏電力。分布光伏電機具體是指在用戶的附近安裝分布光伏電機，再通過某種方式把太陽能轉換成用戶可以直接使用的電力。根據中國2013年12月30日公布的第二次全國土地調查結果，中國共有13 538.5萬hm2的耕地，與203 077萬畝相比，現在可以穩定地利用我國的土地面積相差超過1.2億hm2；近幾年，農業統計農作物的播種面積為24億～25億畝，考慮復種和間套作的情況，耕地應為19億畝左右，耕地總面積龐大，分布農田光伏系統的發展前景廣闊[1]。提高光電轉換效率，提高逆變器轉換效率，增加太陽輻射利用度，保持最大的光伏電板功率跟蹤。光伏系統的效率提高目前主要通過4種方式。根據目前的技術條件，要進一步提高光伏電池轉換效率，就需要降低光伏電池的轉換成本；逆變器轉換的效率超過95%，很難大幅提高；大多數光伏反變器產品都將增加太陽輻射利用率作為一個基本的功能。本文將研發一種適用于農田的光伏支架系統，在不影響農業生產的情況下，提高光伏照射量，提高光伏發電效率的支架，并確定其適用范圍[2]。

1 適用農田的光伏支架設計

1.1 常見農業機械數據分析

我國農業機械化發展較晚，大型農業機械已發展至470萬臺，農業機械化程度達到70%。因此，適應農耕機械化的設計是光伏支架的首要考慮因素。目前，常見的農用機械分以下幾大種類：

1）耕地整理機械。①拖拉機：運輸、動力機械。②旋耕機：主要作用是平整土地，將大塊的土疙瘩破碎成細土。③起壟機：在種地的時候將土地起壟，便于覆膜種植。

2）種子類。①拌種機：為了將種子與保護性的種子農藥混合，防止播種時被病蟲害侵害。②播種機：主要作用是將種子播撒到地里。

3）采收類。①各類糧食作物收割機（小麥收割機、水稻收割機、玉米收割機）。②脫粒機：在聯合收割機沒有出現之前常見的，主要的作用是將作物的籽粒提取。③烘干機：烘干籽粒。

4）植保類。①噴霧器：噴灑農藥及葉面肥，這些年又多了電動的、汽油的、柴油的等等。②農用航空噴霧器。常用農業機械參數詳情見表1。

表1 常用農業機械參數一覽

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

在進行光伏支架設計時，轉彎半徑過大導致光伏支架鋪設密度過低，鋪設范圍過大，光照利用率過低。農田用光伏支架鋪設寬度宜在4 200～6 000（單位/mm）。因此，可以得出如下結論：在應用常用拖拉機、起壟機和播種機的耕地，可以適用光伏支架；大型聯合收割機的轉彎半徑過大，已經不適宜光伏支架的鋪設，不能應用[3]。

1.2 支架系統的結構設計

對于支架系統材料的選擇，采用C型鋼材料。C型鋼的質量是±1.88kg/m，每跨支架的C型鋼梁有3個2m長，質量大約是11.2kg，長度是1.72m的C型鋼的前后柱，質量大約是6.47kg。其他組件包括：光伏板、連桿、絲桿、轉臺座、聯動板、絲母和聯軸器。每跨支架C型鋼結構總質量為47.63kg。

對于支架系統的結構，通過連軸器十字軸與連桿配合，并連接光伏電板。連桿帶動一排光伏電板的轉動，實現光伏電板的一套控制系統控制多個光伏電板。光伏支架系統結構設計具體如圖1所示。

圖1 支架系統的結構設計

在進行光伏支架設計時，底部需要增加水泥配重，以防止光伏支架發生傾斜甚至倒塌。為此，設計每跨支架2個底部配重，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，一側配重質量約為80kg。兩側配重質量約為160kg。

高度過高會使支架抗風負擔加大，對支架的穩定性和安全性造成一定的不良影響。嚴重時可能會造成人員受傷以及財產損失。為此，農田用光伏支架高度不宜超過2.3m，可適用于除大型聯合收割機外的農田。

2 追光程序的設計

追光程序的設計應充分考慮它的可靠、穩定和實用。程序設計的硬件探測裝置提供了5 V電壓，使用arduino nano芯片計算出太陽方位角，ds1302芯片計算出反饋。首先，外部獨立測光光電傳感器在當前是白天之后，控制時鐘ds1302模塊就開始計算，此時系統開始工作，自主測光儀豎直角舵和垂直高度角舵自動重新啟動，然后開始了太陽的自動跟蹤模式。單片機首先對兩個固定在扇形外殼底部的水平角光電傳感器進行初始化，當兩者均為設定閾值并且光照強度與預先設置的差距小于原定值時，水平方位舵機就不再能運行，此時太陽的方位角是最佳的角度；當差值超出所設范圍時，主控芯片arduino nano將水平角舵機控制，對比兩者光電傳感器的光照強度是多大，完成比較后將其偏轉到那一方向，通過兩者的差值變換為脈沖，使得自主測光器能夠準確地檢測太陽方位角。接下來對兩個光電傳感器進行了檢測，得到了確切的太陽高度角，其檢測原理與水平光電傳感器相一致。該系統設定為30min運行一次，當單片機通過ds1302的時鐘計算得到30min為單位的整數倍時，該系統將重新進行一次新的檢測。直到外部獨立測光裝置檢查的光照強度沒有達到預先設定的閾值，即黑夜時系統不再工作，并使該裝置自動恢復到初始位置即復位[4]。程序電路圖如圖2所示。

圖2 追光程序電路圖

光電感應器是用于測量太陽光線的照射強度，用來判定是白天還是黑夜。當太陽照射強度小于預定的工作光照時，即黑夜，就會給芯片關閉工作信號，自主測光器進行復位，自主測量儀不能檢測，自主測量器也不能工作，舵機也不能運行，執行設備的太陽電池陣列一直保持方位角、高度角的最后不變；當太陽光照強度達到預定工作強度時，即白天，芯片控制自主測光器開始工作，水平和垂直的光電傳感器開始測量光線是直射，舵機驅動自主測光器在水平0～20°、豎直0～90°范圍內確定角度，執行設備也開始實施[5]。

跟蹤光電感應器的功能是探測太陽方位和高度角，利用了最小差異原理。如果太陽光線和扇形的開口面以及旋轉筒的開口不垂直于90°，光電傳感器的輸出光照強度會產生明顯的偏差，將光照強度值和兩個單片機的差值返回到一個單片機，利用大小的差值確定轉動角，控制舵機偏向兩個數值較小的方向，然后再進行差值比較。直到兩個光電感器之間的光照強度值差距幾乎是零，才能實現一個完整的跟蹤程序。