基于太阳能发电的农业物联网多功能供电系统

杨昌登，盖新鹏，闫星源，张航，李松，任守华

（黑龙江八一农垦大学电气与信息学院，大庆 163319）

物联网技术随着科技的发展在现代社会中得到了广泛的应用，物联网拉近分散的信息，统一并加强了物与物的数字信息[1]。物联网指的是将无处不在的末端设备和设施，通过各种无线或有线的长距离或短距离通讯网络连接物联网域名实现互联互通，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化[2]。农业物联网是现代物联网中的重要组成部分，通过农业物联网技术，可有效实现农业生产的远程、精准、高效监控，对提高农业生产效率、降低生产成本起到了一定的作用。农业物联网的建立有其特有的复杂性和高难度，主要包括终端传感器、数据通信和电能的供给等问题。传感器技术和数据通信方面已经得到了较好的解决[3]，而在电能供给方面目前还存在一定的问题。在设施农业中电源可以通过近距离的架设输电线缆来实现，但是在野外农业生产中，远距离架设输电线缆带来的电能损耗和电压降低等问题一直无法得到有效抑制，并且在农田中架设线缆极易被农业机械损坏，导致系统无法工作。针对以上情况，多数农业物联网数据采集终端的供电解决办法是采用蓄电池或小型太阳能发电系统。蓄电池因其属于无法进行能量循环利用，在使用过程中需要进行人工维护和更换，而太阳能发电系统因自身的可循环性和便利性，是目前较为先进和合理的物联网能源解决方案。目前，国内外已有很多关于太阳能小型发电系统的研究与试验，研制的成套设备也较为容易获得，但针对农业物联网的专用太阳能小型发电系统多采用民用太阳能发电装置经简单改装后进行应用，而面向农业物联网专用的太阳能发电装置少有研究。因此，研制一套适合于农业物联网的低成本、高效能、模块化、智能化的小型太阳能发电系统具有良好的应用前景。设计在综合农业物联网特点的基础上，设计了一种具有自动逐日、防盗报警、多电压输出等功能的太阳能发电系统，通过理论分析与现场试验，实现了相应的设计目标。

1 太阳能发电系统介绍

太阳能发电系统功能结构如图1所示。它主要由太阳能电池板、自动逐日云台、充电控制器、蓄电池、电源转换模块、电源输出组块、电压监测与显示模块和主控制器等部件构成基本部分，在此基础上可选择增加按键输入、振动检测、通信模块和报警输出模块等组件，并且在系统设计中充分利用模块化设计思想，在太阳能电池板功率、蓄电池容量、输出电压选择等方面提供不同参数的套件，实现根据要求灵活匹配的目的。

图1 太阳能发电系统功能框图Fig.1 Functional block diagram of solar power generation system

2 系统功能介绍

基于太阳能发电的农业物联网智能发电系统主要包括自动逐日追踪系统、充电控制系统、电源转换系统、防盗报警系统和工作识别系统，各部分功能及实现如下：

2.1 自动逐日追踪系统

2.1.1 光伏板安装角度与光伏板发电效率的关系

在太阳能发电系统中，光伏板对太阳的跟踪精度直接影响到发电系统的运行效率[4-7]，太阳跟踪控制策略有被动式跟踪[8-9]和主动跟踪[10-11]两大类。实验证明，采用太阳跟踪的方式所产生的发电效能较固定式太阳能发电在效率上高出35%以上[12]。被动跟踪系统适合于大型太阳能发电设备，需要根据太阳运动轨迹进行计算，驱动执行机构带动太阳能电池板实现追踪的功能。小型太阳能发电设备多采用主动式跟踪方式，即在光伏板设备的支撑处安装调节机构，并在光伏板上添加照度传感器，根据照度传感器检测到的数据寻找最大值，用以驱动调节机构运动，实现逐日的功能。地球表面物体所受的太阳辐射的主要部分是直接辐射，相对于散射辐射和反射辐射而言，直接辐射对光伏发电量的影响最大[13-17]。

盛四清等在2014年建立了综合考虑太阳辐射、天气条件和光伏板摆设角度的光伏表面辐射强度接收模型[18-19]：

W（q）：天气因子，代表天气对辐射强度的影响

q：天气类型变量

A（Y,G）：单位面积光伏板在阳光垂直照射方向上的投影面积

Y：光伏板位置，可用光伏板所在的平面与水平面的夹角ag和光伏板所在平面与东西方向的夹角bg表示

G：光线入射方向，用光线与水平面的夹角aτ和光线与正南方向的夹角βτ表示

表示在地球表面处，时间T时单位面积的辐射前度，地标出位置L可由纬度φ和海拔h表示，时间T可由t1和t2表示，t1为小时变量，t2为时间变量，N=355或366

光伏板在水平方向和垂直方向上的安装角度如图2所示。

图2 光伏板安装角度示意图Fig.2 Diagram of installation angle of photovoltaic panel

上式中投影因子A的计算在参考文献[20]已有分析，直接参考分析结果可得对ag和bg的约束值如公式（2）和（3）所示：

在设计中考虑到自动逐日系统的便捷性，采用水平方向跟踪的设计方法，即ag角度固定，通过云台电机驱动光伏板移动，改变bg的数值，实现自动逐日功能。

2.1.2 太阳能板安装角度与光伏利用率实验

设计实验寻求ag在不同角度下光伏板的转换效能并加以计量，寻找到光伏板适合的安装角度。以北纬46.59°为例，在4月上旬进行实验。实验中以当地水平面为基准0°角，光伏板安装角度从水平0°至垂直90°，以10°为步长，共设计10组实验，光伏板标定功率为30 W，采用自行研发的太阳能充电控制器对7 AH的12 V蓄电池进行充电，通过DY2015A型全保护智能蓄电池检测仪对蓄电池进行测量，每次实验前将蓄电池放电至SOC（State of Charge电池荷电状态，也称为剩余电量）至0，每次实验从上午7时至下午5时，记录蓄电池充电量并对光伏板安装倾角进行计量。测量数据如表1所示：

表1 光伏板安装倾角与发电效率实验Table 1 Inclination of photovoltaic plate installation and experiments of power generation efficiency

在表1的数据基础上，分析并建立光伏板安装角度与发电效率之间的拟合方程，如图3所示。

图3 光伏板安装角度与发电效率实验数据分析图Fig.3 Analysis of experimental data of installation angle and power generation efficiency of photovoltaic panels

图中可见数据整体呈抛物线形状，建立其二次拟合方程：

对拟合方程的判定系数R2进行计算后得R2=0.990 4，可认为二次拟合曲线较为接近真实状态下的数据变化规律。另二次拟合方程的一阶导数为0：

求出发电效率最高的光伏板安装角度为x=56.9°，该条件下最大发电效率为y=84.37%。同时在文献[21]推荐光伏板倾角应在当地纬度的基础上再增加10°～20°，设计中计算所得光伏板夹角与该地区纬度之间差值为10.31°计算结果符合设计要求。

2.1.3 自动逐日功能

自动逐日系统结构如图4所示，主要由太阳能电池板、光接收器外壳、光敏元件、光伏板支架、可调节接头、水平方向驱动机构等部分组成。

根据2.1.2节介绍，自动逐日系统中光伏板支架与驱动机构立轴之间呈固定的56.9°，驱动机构在水平方向上从0～180°旋转，实现逐日的功能。光敏元件安装在光接收器外壳内部，并垂直安装于光伏板表面，用以感知阳光所在位置，当光敏元件接收到太阳光照时，驱动机构静止不动，随着地球移动，当光敏元件无法接收太阳光照时，向控制器发出信号，控制器根据预定轨迹自东向西转过一定角度，直至光敏元件重新接收到太阳光照射，系统实现自动逐日的功能。

图4 自动逐日系统组成结构图Fig.4 Composition diagram of automatic day-to-day system

2.2 充电控制系统

为使太阳能较好地符合充电要求，DC-DC变换电路选用F3205型N沟道场效应管作为主控制开关，F3205芯片耐压值50 V，最大过电流90 A，最大耗散功率200 W，导通电阻8 mΩ，工作温度在-55℃至+175℃之间。在充电系统工作时，主控制器采集太阳能电池板输入电压和F3205输出电压，通过PWM控制器发出脉冲信号控制F3205输出电压为13.7 V，用于铅酸蓄电池充电。

2.3 电源转换系统

针对现有多数传感器和移动式工作系统对电源的要求，系统可提供直流12 V、直流5 V和交流220 V供电电压，具体参数如表2所示：

表2 太阳能发电系统输出参数表Table 2 Output parameter table of solar power generation system

2.4 防盗报警系统

设计属可移动式安装，实际工作过程中应包括防盗、防震、防破坏等功能。系统采用SW-18015P型震动传感器作为非正常状态检测开关，其外观如图5所示。

图5 SW-18015P型震动传感器Fig.5 Vibration sensor of SW-18015P

SW-18015P型震动传感器工作电压3.3～5 V，采用数字开关量输出。使用时将DO输出端口接于单片机检测端口，接通Vcc和GND，初始状态下电源指示灯点亮，调节传感器上蓝色电位器，直至板上开关指示灯点亮后，反方向微调电位器，让板上开关指示灯熄灭，通过外力震动传感器模块，此时开关指示灯会继续点亮，同时在DO端发出高电平信号，用于检测太阳能发电系统是否受到外力的移动。主控制器在系统启动后随时监听震动传感器的检测信号，当发现有震动信号后，驱动专用的输出端口发出声光报警信号。

2.5 工作识别系统

工作识别系统是指为防止非操作人员误操作而设置的保护性装置。在主控制器端口中增加红外接口，负责接收小型红外键盘发出的信号，当接收到的信息符合预设值时，工作指示灯点亮，主控制器发出信号驱动输出继电器吸合，此时太阳能发电装置输出接口通电。图6为红外接收电路原理图，主接收模块采用HL-A838K光电二极管，工作电压2.7～5.5 V，有效接收距离≤22 m。

图6 红外接收电路Fig.6 Circuit of infrared receiving

3 系统设计

3.1 硬件设计

主控制器电路如图7所示。主控制器选用STC12C5A60S2单片机，设计功能主要包括①输出电压检测、控制；②振动检测；③ 太阳跟踪；④红外接收；⑤系统日期时间控制；⑥显示输出；⑦报警输出；⑧数据通信等功能，具体引脚分配及功能设定如表3所示。

图7 主控制器电路图Fig.7 Circuit diagram of main controller

表3 系统功能分配表Table 3 Table of system function allocation

3.2 软件设计

图8 主控制器软件流程图Fig.8 Flow chart of main controller software

主控制器软件设计流程图如图8所示。系统初始化包括AD输入端口初始化、定时器初始化、中断源初始化等内容，初始化完成后检测光伏板板输出电压值，当光伏板电压在15～18 V之间时，系统启动充电功能，向蓄电池充电。下一步检测光传感器是否有输出，由于光传感器的功能是使光伏板面向太阳，在没有输出的情况下需要启动云台控制电机转动，使光伏板旋转一定的角度，直到光伏板面对太阳位置。系统中需要时刻监测震动传感器输出情况，如在工作时发生震动，一般认为可能存在异常情况，通过报警器输出报警信号。在系统正常工作条件下，等待键盘输入信号，输入信号包含工作密码、输出类型设定、更改密码等功能。在对输入信号解读后，系统执行相关的操作，并返回到光传感器和震动传感器的状态检测上。

4 现场试验

设备安装调试后进行现场试验，具体试验参数如下：

试验时间：在2019年5月2日至5月10日

试验地点：黑龙江八一农垦大学电气与信息学院农业信息化试验大棚

试验对象：BYND-2型建三江种业公司水稻育秧棚信息化控制设备，标准供电电压直流12 V，工作电流0.3 A（待机）～8.5 A（瞬时最大），控制箱所包含设备和数量如表4所示。

表4 BYND-2型水稻育秧棚信息化控制设备参数表Table 4 Parameters table of BYND-2 rice seedling-raising shed information control equipment

试验方案：设计两项实验方案，一是通过光伏板和控制器对蓄电池进行充电试验，二是在外接负载条件下进行放电试验。

方案一：将12 V 7 AH铅酸蓄电池放电至储电量为20%，在日照充足条件下，通过遮挡光伏板表面方式，测量在不同条件下太阳能发电系统的充电速度。外接30 W太阳能电池板，调整光伏板角度为56.9°，试验期间每天上午7时至下午18时每隔1 h用DY12型全保护智能蓄电池检测仪对电池储电量进行测量，记录电池剩余电量，试验结果如图9所示。

从图9中可见，光伏板在被遮挡时其发电效能受到较大影响，遮挡面积与光伏板发电效率和充电速度之间呈反比关系，遮挡面积越大，充电速度越慢，试验中选择最高遮挡光伏板70%表面积，经过1 d时间充电后，蓄电池储电量达到89%，基本满足设计要求。

图9 光伏板在不同遮挡条件下对蓄电池的充电速度Fig.9 Charging speed of photovoltaic battery under different occlusion conditions

试验二：测试系统的放电性能。试验设备和现场如图10所示。试验时采用太阳能发电装置对负载进行不间断供电，测试其供电效果。试验前将12 V 7 AH蓄电池的储电量充至100%，负载工作电压12 V，工作电流0.3 A（待机）～8.5 A（瞬时最大），平均工作电流3 A，在1 d 24 h中每间隔1 h对蓄电池储电量进行检测并记录，数据如图11所示。

试验期间，监测的日出时间为4：30，日落时间为19：40。由图11可见，在直流12 V输出电压、3 A输出电流条件下，采用30 W光伏板作为电源，辅以12 V 7 AH蓄电池条件下，系统最低储电量出现在日出前5：00左右，最低储电量为36%，14：00时蓄电池储电量达到100%。图11中蓄电池储电量在日出前到达最低值，随后储电量逐渐增加，正午过后达到峰值，随着午后阳光辐射量降低，由光伏板供电已不能满足负载需求，电能从蓄电池向负载移动，蓄电池储电量呈下降趋势。可以推断，夏季时，图11曲线随着太阳辐射的升高会整体上移，而冬季时整体曲线会整体下移，所以在冬季需要使用供电系统时，应根据实际需求适当选择容量较大的蓄电池。

图10 太阳能发电系统的应用Fig.10 Application of solar power generation system

图11 恒定负载下发电系统储电量变化曲线Fig.11 Electricity storage curve of power generation system under constant load

5 结论

根据农业信息化建设的需求设计了一种应用于农业物联网太阳能供电系统，利用太阳能电池板进行光能发电，并将电能存储在蓄电池中，为农业物联网中的传感器提供便捷、高效的供电电源，实现了农业物联网单元的独立供电。系统采用模块化设计结构，根据用户的不同需求快速进行产品定制。装置可以通过云台实时寻踪太阳高度，自动转换太阳能电池板角度。能够最大程度的利用太阳能，减少能源损耗，起到绿色环保节能的作用。设计的主要功能是为农业物联网系统进行单点供电，下一步可在原有设计基础上开发远信模块和软件，实现远程监控功能。