基于雙軸太陽跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的提水節(jié)能型智慧大棚

西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 滕冰洋 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 馬嘯風(fēng) 張孫銘 景琛馳

1 引言

該產(chǎn)品利用了可追蹤式光伏提水系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等，這些方向皆是近年來在國內(nèi)外新興的一系列節(jié)能減排模式，從各個(gè)方面來說該項(xiàng)目做到了太陽能及水資源的雙重利用。

2 研制背景及意義

“雙碳”是近年來的熱點(diǎn)話題。2020年，我國明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)后，“雙碳”被正式寫入了2021年的政府工作報(bào)告。

2022年綠色低碳話題的熱度依然不減，2022年再次就“雙碳”提出了多項(xiàng)具體任務(wù)。在“雙碳”目標(biāo)下，全國政協(xié)委員紛紛建言獻(xiàn)策，為降碳“支招”，從行業(yè)角度熱議“雙碳”目標(biāo)的發(fā)展路徑。

為了落實(shí)碳達(dá)峰行動方案的目標(biāo)，國家提出多項(xiàng)具體任務(wù)，包括推動能源革命，堅(jiān)持先立后破、通盤謀劃，推進(jìn)能源低碳轉(zhuǎn)型；推進(jìn)大型風(fēng)光電基地及其配套調(diào)節(jié)性電源規(guī)劃建設(shè)，提升電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電的消納能力；推動能耗“雙控”向碳排放總量和強(qiáng)度“雙控”轉(zhuǎn)變，完善減污降碳激勵約束政策，加快形成綠色生產(chǎn)生活方式。

3 設(shè)計(jì)方案

該產(chǎn)品主要由可追蹤式太陽能發(fā)電系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)和智慧遠(yuǎn)控卷簾系統(tǒng)組成。

3.1 智慧遠(yuǎn)控卷簾系統(tǒng)

智慧遠(yuǎn)控卷簾機(jī)器人系統(tǒng)在對卷簾機(jī)改造的基礎(chǔ)上，充分利用單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了微信平臺和電腦平臺可控的一套智慧卷簾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了卷簾機(jī)操控的全自動化、遠(yuǎn)程化，達(dá)到了無人值守的目的。

3.2 雨水收集系統(tǒng)

大棚雨水收集系統(tǒng)包括凈化裝置、儲水袋和水位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，雨水經(jīng)過排水槽對棚頂雨水進(jìn)行收集后導(dǎo)入凈化裝置，雨水進(jìn)入凈化裝置后，由于沉降機(jī)構(gòu)包括若干關(guān)于凈化筒中心陣列分布的扇形沉降板，相鄰兩沉降板之間設(shè)有導(dǎo)液縫隙，雨水在穿過所述導(dǎo)液縫隙時(shí)能有效降低流速，使雨水中的沉淀物、雜質(zhì)、泥沙等向下沉淀，凈水穿過沉降機(jī)構(gòu)并導(dǎo)入儲水袋。

3.3 太陽能自動追蹤系統(tǒng)

太陽的視位置用太陽高度角和太陽方位角兩個(gè)角度作為坐標(biāo)表示。太陽高度角指從太陽中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角。太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。系統(tǒng)采用水平方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰方向步進(jìn)電機(jī)，來追蹤太陽的方位角和高度角，從而可以實(shí)時(shí)精確追蹤太陽的位置。

3.4 光伏提水系統(tǒng)

在光伏提水系統(tǒng)中，光伏供電給水泵驅(qū)使水泵提取雨水收集箱中的雨水至灌溉系統(tǒng)，水箱內(nèi)部設(shè)置水位傳感器，當(dāng)雨水儲存箱內(nèi)水位降低到指定水位后，抽水系統(tǒng)自動關(guān)閉，切換為使用自來水資源。

4 機(jī)械部

設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問題如下：一是利用直蝸桿和渦輪盤進(jìn)行減速傳動，既保證了傳動的平穩(wěn)，又保證了卷簾的速度；二是下拉桿布置在大棚支架兩側(cè)，提高了光伏溫室智慧灌溉系統(tǒng)空間利用率；三是卷簾機(jī)輸出軸雙向受力，兩端輸出；四是卷簾機(jī)雙向受力，使得受力均衡，總體平衡性能更好；五是單片機(jī)智能控制系統(tǒng)，由各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，增加農(nóng)作物產(chǎn)量。

5 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 對比方法在太陽計(jì)算中的應(yīng)用

對比方法是太陽能系統(tǒng)性能評估和設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方法。如FIX-Module 最佳傾角的求解，通過對比各個(gè)傾角FIX-Module 的光學(xué)、光伏性能來尋找最佳傾角。

能源收益率和性能百分比是對比方法中兩個(gè)重要的參數(shù)。單模塊INSA-3P-Module 分別與2A-Module（跟蹤上限）進(jìn)行年可接收太陽輻射量H 的對比或年發(fā)電量E 的對比，得到的比值為性能百分比，模塊INSA-3P-Module 和FIX-Module（跟蹤下限）進(jìn)行年可接收太陽輻射量H 的對比或年發(fā)電量E 的對比，得到的比值為能源收益率。參數(shù)匹配因子可以視為性能百分比，分子為一天中水泵運(yùn)行期內(nèi)負(fù)載輸入的可用能量，分母為理論上PV組件一天中提高的最大能量。

5.2 對比方法在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

INSA-3P-PVWPS 與FIX-PVWPS 相比，日總參數(shù)日抽水量、日發(fā)電量和日可利用太陽能輻射的收益用能源收益率BR 來表示（如方程1）。

本文BRQ 除了表示日抽水量增加的倍數(shù)外，也表示輸出的收益。文中的日發(fā)電量和日可利用太陽輻射是指水泵啟動后的日工作期內(nèi)的累積值[1]。

INSA-3P-PVWPS 與2A-PVWPS 相比，抽水量、發(fā)電量和太陽能輻射的性能百分比用來表示（如方程2）。

5.3 水泵提水?dāng)?shù)據(jù)分析

水泵電機(jī)的機(jī)械負(fù)荷大小確定其他系統(tǒng)部件的功率等級，包括PV 峰值功率。

式中PP—水泵輸出功率，w；

Q—水泵流量，m3/h；

H—系統(tǒng)總揚(yáng)程，m；

g—重力加速度，m/s2；

ρ—水密度，g/cm3。

水泵輸入功率模型：

PS=Ppvm×η2

式中：η2—控制器轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)廠家提供參數(shù)，取97%。

Ps—水泵輸入功率，kW；

水泵提水效率模型：

η3=PP/Ps×100%

式中：η3—水泵效率，%；

PP—水泵輸出功率，kW。

5.4 INSA-3P 跟蹤光伏水泵與固定式光伏水泵的性能對比

通過提高到達(dá)電池板表面的太陽輻射的能量密度，來增加可利用的太陽輻射能從而改善了能量輸入。INSA-3P 跟蹤改善了PV 組件接收到的太陽輻射密度分布，日出后INSA-3P 跟蹤表面很快就可以達(dá)到較高的太陽輻射密度值，具體表現(xiàn)為：輻射密度在450W/m2（水泵啟動閾值）以上和800W/m2（滿功率運(yùn)行閾值）以上的太陽輻射均較大增加，而且這兩個(gè)區(qū)間的時(shí)間延長。中午前后兩次角度調(diào)整不影響泵的穩(wěn)定運(yùn)行，因?yàn)橹形缜昂筇栞椛渚笥?00W/m2[2]。

傳統(tǒng)的水泵的設(shè)計(jì)是在穩(wěn)定的電源下以恒定的速度運(yùn)行。然而，太陽能陣列的能量隨太陽輻射強(qiáng)度和太陽照射陣列的角度而變化，太陽能泵的流量也隨之變化。在試驗(yàn)設(shè)定的揚(yáng)程10.95m 時(shí)，太陽輻射密度達(dá)到450W/m2水泵開始啟動，達(dá)到或高于800W/m2后水泵的流量隨著太陽輻射緩慢的增長。

跟蹤式對水泵工作性能的改善，一方面體現(xiàn)在日出后很快就會達(dá)到水泵功率啟動閾值，在傍晚才降到水泵工作閾值，延長了水泵的工作時(shí)間，基本可以利用全天的太陽輻射；另一方面表現(xiàn)在太陽正午前后的滿功率運(yùn)行區(qū)時(shí)間的延長，保證水泵可以較長時(shí)間高效率地工作，提高了水泵的工作性能和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5.5 性能對比

記錄了一年四季典型晴天采用最優(yōu)方位角γ=45°的INSA-3P-PVWPS 與FIX-PVWPS 相比，日可利用太陽輻射量、日發(fā)電量和日抽水量的收益率。

在冬季較短的日子和多云的天氣，跟蹤效果較差，與FIX-PVWPS 相比，INSA-3P-PVWPS日抽水量收益率在冬天如12月3號為56%，而在夏季如5月16號可以達(dá)到75%。在夏季，由于赤緯角大，白天時(shí)間長，而跟蹤可以充分利用白天的太陽輻射，因此這種改善尤為明顯。兩對比系統(tǒng)、相應(yīng)子系統(tǒng)的能源利用效率。INSA-3P-PVWPS 及其子系統(tǒng)的能源利用效率高于FIX-PVWPS 及其子系統(tǒng)的能源利用效率，這也是INSA-3P-PVWPS日抽水量收益率高于日太陽輻射收益率的原因[3]。

6 工作原理及性能分析

該產(chǎn)品主要由可追蹤式太陽能發(fā)電系統(tǒng)，雨水收集系統(tǒng)和智慧遠(yuǎn)控卷簾系統(tǒng)組成。

主要構(gòu)件由光伏陣列、光敏傳感器、逆變器、控制器、水泵機(jī)組、蓄水設(shè)施、電阻加熱水箱、灌水管道、田間灌溉設(shè)施（管道灌溉方式）、單片機(jī)、濕度傳感器、溫度傳感器、空氣濕度傳感器、豎直轉(zhuǎn)軸、卷被電機(jī)、保溫被、直蝸桿、渦輪盤等組成。

6.1 太陽能發(fā)電節(jié)能測試

測試時(shí) 間：2022年1月17日 至2022年2月20日。測試地點(diǎn)：陜西省延安市寶塔區(qū)橋溝街道煙洞溝村（試驗(yàn)田為一畝地大棚）。參與人員：滕冰洋、馬嘯風(fēng)。

測試結(jié)果分析：根據(jù)記錄數(shù)據(jù)可得，由于天氣變化影響，隨著日期的增長，能源節(jié)約率向理論計(jì)算的20%逐漸靠近。測試月電能節(jié)省20%。

表1

6.2 雨水收集灌溉系統(tǒng)節(jié)能測試

測試時(shí)間：2022年1月17日至2022年2月20日。測試地點(diǎn)：陜西省延安市寶塔區(qū)橋溝街道煙洞溝村（試驗(yàn)田為一畝地大棚）。參與人員：滕冰洋、馬嘯風(fēng)。

表2

測試結(jié)果分析：根據(jù)記錄數(shù)據(jù)可得，降雨量受天氣變化影響。測試月共測得節(jié)約水資源1.3t。

7 總結(jié)

一是能源動力部分設(shè)計(jì)利用可跟蹤式太陽能發(fā)電，最大限度減少了煤炭發(fā)電的使用，綠色環(huán)保；對于太陽能電池板，采用可自動追蹤式單晶硅太陽能電池板，該電池板集吸能、供能、儲能于一體，既提高了太陽能利用率，又提高光電轉(zhuǎn)換效率。

二是機(jī)械機(jī)構(gòu)部分設(shè)計(jì)大棚卷簾利用直蝸桿和渦輪盤進(jìn)行減速傳動，既保證了傳動的平穩(wěn)，又保證了卷簾的速度；將下拉桿布置在大棚支架兩側(cè)，提高了光伏溫室智慧灌溉系統(tǒng)的空間利用率。

三是灌溉系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)利用光伏提水系統(tǒng)、雨水循環(huán)系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等，能精確檢測大棚內(nèi)空氣及土壤的溫濕度，根據(jù)不同農(nóng)作物的水分需求，合理進(jìn)行灌溉，最大限度提高水資源的利用率。