路文輝，劉志馨，顧 浩，周靜偉，張馨丹

（長春工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

0 引言

能源經(jīng)濟是賴以持續(xù)存在的可發(fā)展的和發(fā)展活動起來的重要支柱，伴隨著我國經(jīng)濟社會規(guī)?；牟粩鄶U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?nèi)粘Ｉ鐣钪械囊环N重要支柱。這種新興可再生利用能源技術(shù)是目前國際大多數(shù)發(fā)達國家對再生能源的主要發(fā)展策略選擇。2017年10月，國土資源部和國務(wù)院扶貧辦、國家能源局共同聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于支持光伏扶貧和規(guī)范光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)用地的意見》，提出了光伏扶貧電站中可繼續(xù)利用的農(nóng)村未開發(fā)使用地，不得直接占據(jù)農(nóng)村耕地；可以繼續(xù)使用劣地，不允許占用好的土地。禁止利用任何形式占領(lǐng)基本農(nóng)田，嚴禁在有關(guān)國家法律規(guī)定明確禁止的地區(qū)開發(fā)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(zhuǎn)換成用戶可以直接使用的電力。根據(jù)中國2013年12月30日公布的第二次全國土地調(diào)查結(jié)果，中國共有13 538.5萬hm2的耕地，與203 077萬畝相比，現(xiàn)在可以穩(wěn)定地利用我國的土地面積相差超過1.2億hm2；近幾年，農(nóng)業(yè)統(tǒng)計農(nóng)作物的播種面積為24億～25億畝，考慮復(fù)種和間套作的情況，耕地應(yīng)為19億畝左右，耕地總面積龐大，分布農(nóng)田光伏系統(tǒng)的發(fā)展前景廣闊[1]。提高光電轉(zhuǎn)換效率，提高逆變器轉(zhuǎn)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(tǒng)的效率提高目前主要通過4種方式。根據(jù)目前的技術(shù)條件，要進一步提高光伏電池轉(zhuǎn)換效率，就需要降低光伏電池的轉(zhuǎn)換成本；逆變器轉(zhuǎn)換的效率超過95%，很難大幅提高；大多數(shù)光伏反變器產(chǎn)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(fā)一種適用于農(nóng)田的光伏支架系統(tǒng)，在不影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的情況下，提高光伏照射量，提高光伏發(fā)電效率的支架，并確定其適用范圍[2]。

1 適用農(nóng)田的光伏支架設(shè)計

1.1 常見農(nóng)業(yè)機械數(shù)據(jù)分析

我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展較晚，大型農(nóng)業(yè)機械已發(fā)展至470萬臺，農(nóng)業(yè)機械化程度達到70%。因此，適應(yīng)農(nóng)耕機械化的設(shè)計是光伏支架的首要考慮因素。目前，常見的農(nóng)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?qū)⑼恋仄饓?，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(nóng)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(lián)合收割機沒有出現(xiàn)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(nóng)藥及葉面肥，這些年又多了電動的、汽油的、柴油的等等。②農(nóng)用航空噴霧器。常用農(nóng)業(yè)機械參數(shù)詳情見表1。

表1 常用農(nóng)業(yè)機械參數(shù)一覽

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

在進行光伏支架設(shè)計時，轉(zhuǎn)彎半徑過大導(dǎo)致光伏支架鋪設(shè)密度過低，鋪設(shè)范圍過大，光照利用率過低。農(nóng)田用光伏支架鋪設(shè)寬度宜在4 200～6 000（單位/mm）。因此，可以得出如下結(jié)論：在應(yīng)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(lián)合收割機的轉(zhuǎn)彎半徑過大，已經(jīng)不適宜光伏支架的鋪設(shè)，不能應(yīng)用[3]。

1.2 支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于支架系統(tǒng)材料的選擇，采用C型鋼材料。C型鋼的質(zhì)量是±1.88kg/m，每跨支架的C型鋼梁有3個2m長，質(zhì)量大約是11.2kg，長度是1.72m的C型鋼的前后柱，質(zhì)量大約是6.47kg。其他組件包括：光伏板、連桿、絲桿、轉(zhuǎn)臺座、聯(lián)動板、絲母和聯(lián)軸器。每跨支架C型鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為47.63kg。

對于支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)動，實現(xiàn)光伏電板的一套控制系統(tǒng)控制多個光伏電板。光伏支架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計具體如圖1所示。

圖1 支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在進行光伏支架設(shè)計時，底部需要增加水泥配重，以防止光伏支架發(fā)生傾斜甚至倒塌。為此，設(shè)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(cè)配重質(zhì)量約為80kg。兩側(cè)配重質(zhì)量約為160kg。

高度過高會使支架抗風(fēng)負擔(dān)加大，對支架的穩(wěn)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(chǎn)損失。為此，農(nóng)田用光伏支架高度不宜超過2.3m，可適用于除大型聯(lián)合收割機外的農(nóng)田。

2 追光程序的設(shè)計

追光程序的設(shè)計應(yīng)充分考慮它的可靠、穩(wěn)定和實用。程序設(shè)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(dāng)前是白天之后，控制時鐘ds1302模塊就開始計算，此時系統(tǒng)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(dāng)兩者均為設(shè)定閾值并且光照強度與預(yù)先設(shè)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(dāng)差值超出所設(shè)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(zhuǎn)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(tǒng)設(shè)定為30min運行一次，當(dāng)單片機通過ds1302的時鐘計算得到30min為單位的整數(shù)倍時，該系統(tǒng)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(yù)先設(shè)定的閾值，即黑夜時系統(tǒng)不再工作，并使該裝置自動恢復(fù)到初始位置即復(fù)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(yīng)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(dāng)太陽照射強度小于預(yù)定的工作光照時，即黑夜，就會給芯片關(guān)閉工作信號，自主測光器進行復(fù)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(zhí)行設(shè)備的太陽電池陣列一直保持方位角、高度角的最后不變；當(dāng)太陽光照強度達到預(yù)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(qū)動自主測光器在水平0～20°、豎直0～90°范圍內(nèi)確定角度，執(zhí)行設(shè)備也開始實施[5]。

跟蹤光電感應(yīng)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(zhuǎn)筒的開口不垂直于90°，光電傳感器的輸出光照強度會產(chǎn)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(zhuǎn)動角，控制舵機偏向兩個數(shù)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(xiàn)一個完整的跟蹤程序。