太阳能光伏植物生长系统的设计与试验

胡俊生，苏颖欣，辜 松，刘厚诚，夏红梅，杨 意，杨艳丽

(1.华南农业大学 a.工程学院;b.南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室；c.园艺学院, 广州 510642； 2.广州实凯机电科技有限公司，广州 510642)

0 引言

随着生活水平的提高，人们已经不再满足于物质基本需求，精神需求也日益强烈，尤其对工作在沙漠、船舶等资源相对紧张区域的人。由于这些地域环境比较恶劣，并不适合植物正常生长，当前解决植物生长与环境不符合问题的常用手段是修建温室，温室因其内部环境参数可调节，这种调节可在作物无法正常生长的环境中维持植物正常生长，因此在园艺生产中广泛采用[1]。现今温室主要分为半封闭式和封闭式：半封闭式存在病虫害入侵、能量利用率不高、室内环境参数无法均衡和稳定控制等[2-3]问题；封闭式系统虽解决了半封闭式温室存在的问题，但现行封闭温室受控对象多、控制精度高，所以对能量需求量高，不适用于能量紧张地区。此外，常规温室所需能源都是实时供给，缺乏自持能力。鉴于国内对无动力源且具自持能力的微小型植物生长系统研究鲜有报道，本研究提出一种由太阳能光伏供电的结构尺寸小、有阶段性自持能力的植物生长系统，以实现植物在无动力源条件时能在该系统中稳定、正常生长。

1 系统总体设计

1.1 系统设计定位

据调研与实际工况分析，该系统应满足以下需求：①系统能全天候工作，且要在设计时间内保证系统培育室内环境参数适合植物正常生长；②能适应在无外界电力供应区域工作；③具备一定智能化，能够根据不同植物生长需求，设定适合各自需要的环境参数。

1.2 总体设计

光伏发电在现今温室领域应用已十分广泛[4-7]，本研究提出的太阳能光伏植物生长系统，由光伏发电系统、培育室、冷却系统和环控系统等4部分组成，如图1所示。在该系统中，除使用太阳能光伏发电作为系统工作需要的电能，不再使用外接动力源。培育室是保障植物正常生长的区域，除顶面为植物接收太阳光采用透明亚克力板外，其余5个面均为不透明塑料板。为有效控制培育室内环境条件，防止外界环境对其干扰，培育室采用密封处理；但考虑高温条件下培育室内部空气受热膨胀，为防止培育处于高温情况下，内部气体膨胀破坏密封性，培育室留有0.002 4‰的孔隙度，起到高温时卸压作用。在培育室内布置有温湿度传感器、光照传感器，以及冷却系统的制冷风扇、冷却铜管和装载冷却水的水箱。冷却系统是植物生长系统的核心部件，由制冷机、制冷风扇、冷却铜管和循环水泵组成，目的是降低培育室内温湿度，维持培育室内环境达到设定要求。冷却系统由环控系统控制，工作时由循环水泵驱动冷却水在冷却回路中运动，被制冷机制冷后的冷却水通过冷却铜管吸收培育室内热量，再由制冷风扇将冷却铜管周边的冷空气吹散到整个培育室，以加速培育室内温度降低，减少冷却系统工作时间，降低系统能耗。环控系统基于STC89C51单片机构建而成，其作用是通过布置在培育室内的各种传感器实时检测培育室内环境参数，将获得的参数与设定值进行比较，根据比较得出的结果驱动冷却系统动作。植物生长所需的水根据相应植物日需求量，结合植物设计存活寿命，一次性装入培育室内部，由水泵供给植物。

1.太阳能电池板 2.蓄电池 3.培育室 4.制冷机 5.环控系统

2 光伏动力与控制系统设计

2.1 光伏动力设计

在本研究提出的太阳能光伏系统中，太阳能光伏电池是系统唯一电源。光伏动力由太阳能电池板、蓄电池、电源控制器组成。太阳能电池板选择长沙光合太阳能有限公司生产的单晶太阳能电池板，其参数规格如表1所示。为使光伏发电系统处于系统最优条件下，蓄电池也采用与太阳能电池板同一厂家生产的硅能蓄电池，额定电压为12V，标称容量100AH。

电源控制器用于太阳能对外放电和对蓄电池进行保护，本研究中蓄电池其浮充电压是14.5V，而太阳能电池板的工作电压为17.5V，且由于太阳光的光强度在一天之内会出现多次的波动，会引起蓄电池充电电网不稳定，缩短蓄电池的寿命。太阳能自动充放电开关可以使蓄电池的充电压稳定保持在14.5V，而且蓄电池对外供电也是通过该开关，因此太阳能自动充放电开关需具有防蓄电池出现过充和过放功能。由于环控系统中单片机控制单元功耗较小，为防止制冷机启动造成系统电网波动影响环控系统稳定工作，系统采用德州仪器生产的LM2596S稳压模块给环控系统供电，保障环控系统用电稳定，LM2596S模块输入电压为0～37V，输出电压为5V，能给环控系统提供稳定的供电电压。

表1太阳能电池板参数表

2.2 控制系统设计

培育室是保障植物生长健康生长的核心，因此要保证培育室内环境要符合植物的生长模型[8]，就必须使用智能化的环控系统[9-11]。环控系统的控制核心是STC89C51单片机，使用相关传感器采集培育室内环境参数和控制相关执行器对环境参数进行调整。由于需要检测参数有温度、湿度及植物接收到的光照强度等环境参数，所以在培育室内设置有用于检测温湿度的温湿度传感器AM2305，检测光照强度的传感器BH1750。

对温湿度采集采用广州奥松电子有限公司生产的温湿度传感器AM2305，测量范围为：温度，-40～80℃；湿度，0～99.9%RH；测温精度是±0.3℃，测湿精度达0.1%RH。对光照强度的测量采用广州龙戈电子科技有限公司生产的光照传感器模块BH1750，由于该模块的内置AD芯片是16位的，因此其测量范围为0～65 535Lx。系统冷却系统由制冷机、冷却铜管、制冷风扇和循环水泵4个部分组成，制冷机使用的是XD-2068型半导体制冷机，功率为120W，可对培育室内温度进行有效的抑制，维持植物正常培育室间。

系统软件设计要求是对培育室内环境参数全天候实时检测，只要发现培育室内环境参数与设定值不符合，系统立刻驱动冷却系统工作，对培育室进行降温和除湿，使之符合设定值，维持植物健康生长。同时，软件设计每天在7:00和18:00两个时刻向培育室内植物提供水，封闭系统控制原理如图2所示。

图2 封闭系统控制原理

3 系统的测试与结果分析

为考察系统在实际中的应用效果，在系统培育室内放置由盆栽白掌作为实验对象，在广州秋季进行实际运行测试7天，得出系统培育室内环境参数的变化规律，在完成培育室密封性测试后，对工作时间在9:30-15:00时间段内培育室内环境参数进行采集，数据经整理的结果如图3所示。

结合图3中数据可知，培育室内部的温度要高于外部温度，但二者变化趋势基本相同。在上午9:30时，由于太阳光照强度较弱，封闭系统培育室获取的热量少，培育室内部和外部温度基本一致；随着太阳光照强度的增强，且由于培育室处于密封状态，培育室内部环境与外部物质和能量交换的直接通道被隔绝，故培育室内热量不易散失，自10:00开始培育室内部温度增速要高于外部温度增速，在13:00培育室内部温度到达最大值为39.7℃，而与之对应的外部环境温度只在12:40到达最大值为36.8℃。因培育室内存放有植物，为防止温度过高导致植物收到不可逆转的伤害，当培育室内部温度高于32℃时，培育室内部必须进行降温处理，所以培育室内部与外部温度在同时刻差值不大。

图3 封闭系统实测数据

对培育室内湿度进行分析，由于培育室处于密封状态，培育室内部与外部物质交换通到被阻断，培育室内部空气中水分将不会扩散到外部，导致培育室内部湿度要高于外部环境。因此，在图3中，培育室内部环境湿度始终高于对应时刻培育室外部环境湿度。培育室内部环境湿度高主因是花盆内部水分受热蒸发到培育室内部空间中。培育室内部的环境湿度如果始终处于较高状态，会带来以下两个方面的影响：①环境湿度太高会导致本来培育室内难以散去的热量进入到水中，将导致植物长期处于高温、高湿环境中，不仅家具花盆中水分继续蒸发，而且还导致植物叶片中蛋白质发生不可逆转的的破坏[12]；②培育室内湿度过高时，也会使得大量的水蒸气附着在培育室透明采光板的内侧，影响植物进行正常的光合作用，减少植物存活时间，因此需要对培育室内部进行除湿处理，保证培育室内部植物正常生长。培育室外部湿度随着太阳光照强度影响较大，光照强度越大，外部环境湿度越低，因此外部湿度在9:30时达到最大值77.3% RH，而在正午:13:20时达到最小值35% RH。在14:00之后随着光照强度的降低，外部环境湿度逐步升高，培育室虽然处于除湿状态，但由于培育室内部温度较高，培育室内水份蒸发还是较为剧烈，导致培育室内部环境温度要高于外部。由于制冷机不断进行制冷除湿，培育室内部环境湿度呈逐步下降趋势，在14:00之后由于太阳光照的减弱，培育室吸收的热量减少，培育室内部水分蒸腾效果减弱，同时在制冷机工作下，培育室内部湿度没有出现培育室外部呈现走高的趋势，而是进一步降低。

对培育室内光照强度进行分析，光照强度结果除以1 000得到图3数据，据此得培育室内外光照强度变化基本趋势相同。在9:30时由于太阳光照强度较弱，内外的光照强度值基本一致，之后随着太阳光照的加强，培育室外部的光照逐步变强，在10:00时为2.193×104Lx；在10:30时因受到乌云的遮挡，外界光照强度降为5×103Lx；培育室外部光照在不受云遮挡的条件下，自11:00时开始培育室外部光照强度最大能达到6.02×104Lx。相较于培育室外部光照强度，培育室内部光照强度很低，原因在于因培育室内部湿度过大，导致培育室采光板上附着大量的水珠，致使太阳光在透过透明板时散射严重，培育室内接收到的太阳光照强度很低。所以，在透明板上水分大量存在时光照强度较低，而当冷却系统通过降低环境温度，使透明板上水珠消散时，培育室内部光照强度足逐步升高，在11:00时达到2.946×104Lx，在11:30时达到3.33×104Lx，之后由于云的存在导致培育室内外光照强度都比较低。

综上，本研究所提出的基于太阳能封闭系统能维持培育室内部温度，现阶段采用的制冷机能保障系统降温除湿功能。

4 结论及讨论

4.1 结论

1)广州秋季的实测结果显示：系统使用的冷却系统能降低培育室内温度、湿度，维持在适应于植物正常生长的区间，由太阳能电池板、蓄电池、电源控制器组成的光伏发电系统能够维持系统正常工作所需的电能。

2)现阶段系统采用的制冷机能够维持培育室内温湿度，主要维持在31～39℃区间，湿度维持在72%～85% RH之间。

3)在整个系统测试的7天内，培育室中放置的白掌长势良好，叶片未出现发黑、枯黄现象。

4.2 讨论

在实际测试试验中系统虽已能维持植物基本生长需求的环境参数，但仍存在以下几个问题：培育室透明亚克力板内侧易附着水蒸气，导致培育室内植物所获取的太阳光照强度低；太阳能光伏发电系统发电量无法长时间维持冷却系统降温除湿，目前系统只在光照强烈时开启降温除湿；由于培育室封闭，培育室内温度受太阳热量影响剧烈，培育室内花盆极易发生蒸腾作用，导致培育室内湿度升高，引起培育室透明亚克力板内侧出现大量水珠而影响光照。