一种为滴灌系统供电的太阳能高效发电装置

李应生，孔新红(.黄淮学院，河南 驻马店 463000；. 驻马店中波转播台，河南 驻马店 463000))

0 引 言

我国是世界上最缺水的国家之一， 节约灌溉用水已成为我国经济发展的“瓶颈”问题。滴灌是一种节水、高效的局部灌溉技术。利用太阳能动力进行滴灌具有较高的省工、节能等特点，是生态建设与节水农业的重要发展方向。如何建立关于太阳能动力滴灌的电站的系统计算模型，为太阳能高效发电滴灌系统的研究、设计提供理论依据，是领域内迫在眉睫的工作。因此，本文的研究成果对解决能源与经济发展、环境保护之间的矛盾，促进生态建设与节水农业发展具有重要的理论和现实意义。

目前，国内在太阳能高效发电在滴灌系统中应用的关键参数和最佳性价比的研究方面几乎处于空白。

本文以我国中原地区的四种作物与种植模式为研究对象，在建立常规气候与异常气候情景下的太阳能发电滴灌系统的作物滴灌需水、耗水规律、生长与生产规律的数学模型的基础上，分析常规气候与异常气候情景下以太阳能发电为动力的滴灌系统的作物耗水、耗水规律、生长与生产规律的主要参数，从而找出实际影响太阳能高效发电系统满足滴灌系统动力需求的关键因素和实际运行规律。

1 光伏发电自动跟踪装置的研究方案

本文研究了一种新型二自由度空间并联机构用于太阳能跟踪装置，如图1所示。其特征如下。

1，3-螺母杆组件；2，7-步进电机；4-活动支架与止推轴承；5，11-球形轴承；6-地面机架；8-活动支架与转动组件；9-固定支座；10-光伏板支撑架；12-光伏板；13-光伏板支撑轴承；14-光伏板支撑轴；15-固定支架与止推轴承；16-高度角调整支座转动组件图1 偏微分型光伏发电跟踪控制系统结构简图Fig.1 Partial differential type photovoltaic power generation tracking control system structure diagram

固定光伏板12的光伏板支撑架10以两个光伏特板支撑轴承13套在光伏板支撑轴14上，光伏板支撑轴14的两端分用活动支架与转动组件8和高度角调整支座转动组件16连接，活动支架与转动组件8的下端通过转动组件与地面固定支座9相连接，活动支架与转动组件8和高度角调整支座转动组件16的水平轴线必须与光伏板支撑轴14的轴线垂直；步进电机2和螺母螺杆组件1的轴线必须平行，步进电机2和螺母螺杆组件1的轴线必须与光伏板高度角调整支座转动组件16的轴线垂直；步进电机7和螺母螺杆组件3的轴线必须平行，螺母螺杆组件3的上端通过球形轴承11与光伏板支撑架10的一个侧边相连接，螺母螺杆组件3的移动部分通过活动支架与止推轴承4、球形轴承5与地面机架6相连接；步进电机7和螺母螺杆组件3的轴线通过活动支架与止推轴承4、两个球形轴承11与15实现了始终和光伏板支撑轴14的轴线保持垂直。

如图1所示，当光照强度达到规定值，太阳能电池组件光伏电池板12输出的电压达到机电控制系统的工作电压时，单片机先让步进电机2断电，螺母螺杆组件1不动使高度角保持不变；而让步进电机7通电转动来驱动螺母螺杆组件3，螺母螺杆组件3的移动通过活动支架与止推轴承4、球形轴承5、11与地面机架6推动光伏板支撑架10带动光伏板12绕光伏板支撑轴14独立转动，来调整方位角使光伏板12上光照强度达到最大值时，单片机让步进电机7断电，螺母螺杆组件3不动使方位角保持不变；而让步进电机2通电转动来驱动螺母螺杆组件1，螺母螺杆组件1的移动通过固定支架与止推轴承15、高度角调整支座转动组件16推动光伏板支撑轴14绕高度角调整支座的转动组件16和活动支架的转动组件8的轴线独立转动，来调整高度角使光伏电池板12上光照强度达到最大值。机电控制系统重复上述调整过程两个周期后进入节电状态，每5～10 min工作3个周期，从而实现对太阳光方位角和高度角的自动跟踪，保持光伏电池板12的光照强度处于最大状态。该跟踪装置具有刚度高、重量轻、制造容易等优点，可以在保证跟踪精度的情况下，减少跟踪能耗。

该跟踪装置的跟踪过程具有偏微分方程的特性与求解特征，故称为偏微分型光伏发电自动跟踪装置。需进行偏微分型光伏发电自动跟踪装置不同结构尺寸和不同控制电路的跟踪精度与跟踪能耗比较，设计光伏发电自动跟踪装置的机械部分和电路，编制电路控制程序及研制微分型光伏发电自动跟踪装置。

2 光伏发电最大功率点跟踪研究方案

根据光伏电池板的输出伏瓦特性建立光伏板的Matlab仿真模型，利用实测的光照强度数据分别进行“电压扰动法”、三点比较法跟踪光伏发电最大功率点，即MPPT控制方法进行计算机仿真可知，“电压扰动法”跟踪有较好的跟踪效率，但存在光照强变化时跟踪的误动作，造成光照强度变化时输出电压波动大的问题。三点比较法跟踪显著改善了“电压扰动法”跟踪的缺点，输出电压波动幅度小，跟踪光强迅速，能够使光电转换效率提高20%～30%。

“电压扰动法”跟踪是通过比较电路将本次光伏电池板输出的功率和上次光伏板输出的功率相比较，由比较电路来控制增加或减少光伏电池板工作电压来实现MPPT的方法。如图2所示，若(P2-P1)>0，说明光伏电池板工作于上坡段，即最大功率点Pm的左侧，需继续增大工作电压，从左边向最大功率点Pm靠近；若(P4-P3)<0，说明光伏电池板工作于最大功率点Pm的右侧，需减小工作电压，从右边向最大功率点Pm靠近；若(P2-P1)=0或者(P4-P3)=0，说明光伏电池板工作于最大功率点Pm，工作电压在光照强度变化之前应保持不变。

图2 “电压扰动法”跟踪原理图Fig.2 “Voltage perturbation” tracking principle diagram

“电压扰动法”跟踪存在着光照强度变化时电压波动大的缺陷。如图3所示，当光伏板工作于最大功率点的左侧时，光照强度如由El减小为E2，光伏电池板由上一时刻的输出的功率P1变为当前时刻的输出的功率P2，按照“电压扰动法”跟踪原理可知，(P2-P1)<0，控制电路会误解为光伏电池板工作于最大功率点Pm的右侧，“电压扰动法”的控制电路会使工作电压减小，而实际上工作电压应该增大才能向最大功率点靠近。当光伏电池板工作于最大功率点的右侧时，光照强度如由E2增大为El，光伏电池板由上一时刻的输出的功率P4变为当前时刻的输出的功率P5，按照“电压扰动法”跟踪原理，(P5-P4)>0，控制电路会误解为光伏电池板工作于最大功率点Pm的左侧，“电压扰动法”的控制电路会使工作电压增大，而实际上工作电压应该减小才能向最大功率点靠近。这就造成“电压扰动法”跟踪在光照强变化时跟踪的误动作，也是造成“电压扰动法”跟踪存在着光照强度变化时输出电压波动大的问题的内在原因。

图3 三点比较法光伏发电最大功率点跟踪原理图Fig.3 Principle of three point comparison method of photovoltaic maximum power point tracking

三点比较法跟踪就是为解决这个问题提出的新方法。三点比较法跟踪增加了下一时刻电压对应的输出功率参与比较。如图3所示，当光照强度由El减小为E2，光伏电池板由上一时刻的输出的功率P1变为当前时刻的输出的功率P2，下一时刻的电压对应的输出功率为P3，比较结果为(P2-P1)<0，P3>P2；当光照强度不变时比较结果为(P2-P1)>0，P3>P2；这两种比较结果控制电路都断定为光伏电池板工作于最大功率点Pm的左侧，控制电路会增加工作电压从右边向最大功率点Pm靠近；当光照强度由E2增大为El，光伏电池板由上一时刻的输出的功率P4变为当前时刻的输出的功率P5，下一时刻的电压对应的输出功率为P6，控制电路的比较结果为(P5-P4)>0，P6

当Pi+1-Pi=0,Pi+2=Pi+1时，控制电路就断定为光伏电池板工作于最大功率点Pm区域，控制电路会保持工作电压不变。

三点比较法跟踪解决了“电压扰动法”在光照强变化时跟踪的误动作问题，有利于提高最大功率点的跟踪效率。这里需解决的关键问题是进行光伏发电三点比较法最大功率点跟踪控制器电路的比较与优化研究，编制与优化单片机电路控制程序，研制光伏发电三点比较法最大功率点跟踪控制器。软件设计的流程图如图4所示。单片机不断地对采样电压、电流进行转换计算，比较，调整PWM值，调节占空比，通过判断与控制使系统工作在最大功率点区域。

图4 光伏发电三点比较法最大功率点跟踪控制器控制流程图Fig.4 PV three point comparison method of maximum power point tracking controller control flow chart

3 研制方案的应用

本项目组将建立的常规气候与异常气候情景下四种作物与种植模式的以太阳能发电为动力的滴灌系统的作物滴灌需水、耗水规律、生长与生产规律的数学模型，分析常规气候与异常气候情景下四种作物与种植模式的作物耗水与滴灌溉需水、耗水、生长与生产主要参数。找出影响以太阳能高效发电为动力的滴灌系统应用的关键参数和最佳性价比参数,依据这些参数研制太阳能滴灌自动控制装置、光伏发电自动跟踪装置与光伏发电三点比较法最大功率点跟踪控制器。采用研制的偏微分型光伏发电自动跟踪装置、光伏发电三点比较法最大功率点跟踪控制器与以太阳能为动力的滴灌自动控制装置，研制样机，通过试用样机与数学模型计算，进行样机优化。

在研制太阳能高效发电滴灌系统时，将太阳能高效发电部分设计为移动式发电站，将滴灌系统设计为固定式，使移动式太阳能高效发电站都能与不同滴灌系统实现最佳匹配，有效提高移动式太阳能高效发电站的利用率。在作物不需要灌溉时，移动式太阳能高效发电站可用于解决单户或多户或小型机械的供电，还可将移动式太阳能高效发电站同储能电池结合作为移动设备的电源。由此促进太阳能光伏发电产业的发展。

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[1] 薛太林，王长柱. 户用太阳能光伏发电系统的设计与研究[J]. 电力学报，2009,24(60):474-476.

[2] 曹 莹.家用太阳能光伏发电系统设计[J]. 机电工程,2011,28(1):115-117.

[3] 邱振存 ，管 健. 地下滴灌系统设计应用相关问题探讨[J]. 中国农村水利水电，2011,(10):11-14;

[4] 李加念 ，洪添胜，倪慧娜. 基于太阳能的微灌系统恒压供水自动控制装置研制[J]. 农业工程学报，2013，29(12):86-92.

[5] 丛振涛, 王舒展, 倪广恒. 气候变化对冬小麦潜在产量影响的模型模拟分析[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2008,48(9):46-50.

[6] 曾洪涛，王智欣，田文刚，等. 基于ANN的抽水蓄能电站建模与过渡过程优化[J].排灌机械工程学报, 2014,32(10):864-870.