太阳能割草机的发展现状与展望

2020-06-28王敏王军洋

江苏农机化 2020年3期

王敏王军洋

0 引言

割草机（又称除草机、剪草机、草坪修剪机）是用于辅助修剪与整理草坪、植被的机械工具。太阳能割草机是一种以太阳能为动力的割草机。相比于其他太阳能产品的快速发展，太阳能割草机的研究进展缓慢。目前，国际市场上的太阳能割草机只有寥寥几款，而国内市场几乎是空白。本文从技术的角度，对太阳能割草机的发展现状及关键技术问题进行分析，为我国太阳能割草机的研究和开发提供借鉴。

1 太阳能割草机的发展现状

1.1 国外太阳能割草机的发展现状

世界上最早研究太阳能割草机的是瑞典的Husqvarna 公司。该公司研制的太阳能割草机能自动工作，外围面覆盖着多晶硅太阳能光伏电池，可将日光能转换为电能，与只利用蓄电池的割草机相比，在光照条件充足的条件下优势明显，其割草面积可以增加25%[1]。它能够自主躲避园内有树影的位置，随着时间推移，阴影位置改变后，会重新回到该位置作业。

美国的一家名叫“路易斯安那州室外生产”的公司，独立设计研制出了一款称为“Weed Eater”的全自动草坪割草机。该割草机外形独特、灵活轻便，重约5.63 kg，能以事先埋在草坪边界的导线为限制，在34 个太阳能光伏电池的驱动下在一定的区域内自动工作。1994 年，“Weed Eater”割草机被评为美国重要科技成果[2]。

在以汽油机为动力的割草机的基础上，美国洪堡州立大学学生Jeremy James 改装出了一款太阳能割草机。该太阳能割草机将原有的汽油发动机更换成蓄电池进行割草作业。太阳能电池板被设计人员固定在某一位置，及时为蓄电池补充电能。在此概念的基础上，由美国北爱荷华大学学生设计了一款草坪割草机，该草坪割草机的太阳能电池板可与割草机一起运动，在阳光遮蔽或阴天情况下，能够为割草机的蓄电池充电6小时，满足割草机正常工作1 小时。

加拿大Linamar Corp 设计研发了一款太阳能割草机，蓄电池依靠在割草机作业区域安装的太阳能充电站进行电能补给。该割草机选用的是无刷直流电机，作业时产生的噪音低，具备遥控控制能力，动作灵活，操作简单。

上述几种割草机都是利用太阳能电池板和蓄电池组合作为割草机作业的动力源[2]，其明显的优势是噪音低，对环境友好，操作简单，适宜一般家庭庭院使用。缺点是受充电方式和体积影响，不足以支撑大面积草坪修剪的需要。

1.2 国内太阳能割草机研究现状

国内对太阳能割草机的研究起步较晚，只有短短十几年，因此投放到市面上的产品极少，其中比较有代表性的有肩背式太阳能割草机（如图1所示），它是由桂林一家生物环保能源公司研制生产。它率先将太阳能应用在割草机上，对国内太阳能割草机技术的积累，起到了关键作用。除此之外，上海一家信息技术公司研制了RBZG001太阳能割草机（如图2 所示）。RBZG001 太阳能割草机具备高智能图像识别功能、视频自主检测和行驶路线自动识别功能，能够自主避障并能攀登一定坡度的草坪，可以满足复杂环境的草坪割草工作。

国内的太阳能割草机技术水平较低，相关技术研究工作还处于刚刚起步阶段，太阳能光伏发电技术在割草机上的应用也只是局限在一些高等院校、科研单位进行实验性的研究与探索，不具备商业化条件。南京理工大学[3-5]对太阳能割草机的总体、动力能源系统、控制技术等方面进行了深入研究，取得了一定成果，积累了丰富的经验，为国内太阳能割草机后续的发展提供了理论和技术支持。

图1 肩背式太阳能割草机

图2 RBZG001 太阳能割草机

2 关键技术分析

太阳能割草机的设计概念主要是围绕通过太阳能光伏电池模块将太阳辐射能直接转化为电能，再通过电动机驱动割草刀片旋转进行的。以太阳能电动汽车为例，研究显示，采用太阳能光伏电池取代内燃机，每辆汽车尾气的二氧化碳排放量可减少43%～54%，同时能够节省能源30%～50%。太阳能割草机上的太阳能电池、控制器、蓄电池和驱动电机等取代了传统割草机上的发动机、传动机构和减速装置等相关部件，割草机的整体结构得到极大简化，相应的关键技术也发生了变化，主要集中在光电转换技术、最大功率点追踪技术、车体技术和能量管理系统技术等方面。

2.1 光电转换技术

光电转换是指通过光电效应或光化学效应将太阳辐射能直接转换成电能的过程。太阳能光伏电池是光电转换的主要装置，也是太阳能割草机能量转换的核心装置。太阳能光伏电池的普及应用面临如下问题：一是太阳能光伏电池的光电转换效率较低；二是现阶段太阳能光伏电池板生产制造成本较高。

美国贝尔实验室早在1954 年就成功地研制出了第一代太阳能光伏电池，目前，太阳能光伏电池已经进入到第三代发展期。第一代太阳能电池板以硅材料为主，主要包括单晶硅、多晶硅以及非晶硅等。尽管硅材料的使用存在弊端，但因成本低及技术优势，仍是太阳能光伏电池的主要材料，约占太阳能光伏电池产品市场份额的90%[6]。第二代太阳能电池板是基于薄膜材料技术上的一种新型太阳能光伏电池，可分为碲化镉、铜铟硒化物、铜铟镓硒化物、砷化镓等。薄膜电池使用的材料较晶体硅电池少，容易实现批量生产，能大大降低生产成本。现阶段，能够成功用于商用的薄膜电池的转换效率只有6%～8%。新南威尔士大学对太阳能光伏电池中能量损失机理的研究发现，造成太阳能电池转换效率低的原因主要集中在热损失上。这一发现使得人类在探索太阳能光伏电池发电技术上翻开了新的一页。太阳能电池将光能转换成电能的卡诺循环效率可以达到95%，但是电池材料的工艺技术成熟程度和制造成本，都不能和第一代硅太阳能电池相提并论。因此，研究人员在开发与研制出低成本、高效率的太阳能电池材料上，仍然有很长的路要走。

2.2 最大功率点追踪技术

研究数据显示，太阳能光伏电池的输出特性由于受到外部环境（日照强度、温度、负载）及本身技术指标（输出阻抗）等因素影响，其输出功率和电压会在一定的范围内变化，并会在某点处获得最大输出功率，即“最大功率点”(Maximum Power Point，MPP)。采用一定的技术手段使太阳能电池始终保持在MPP 处工作，能最大限度的提高系统发电效率，减少发电成本，该项技术就是最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT）。目前的MPPT 算法主要分为两大类，一类是传统算法及其改进算法，另一类是基于现代控制理论的人工智能算法及其改进算法[7]。

传统算法主要包括恒定电压法，电导增量法和扰动观察法等。传统算法存在追踪精度和速度不足，以及不能解决多峰情况下的追踪问题。人工智能算法主要包含粒子群优化算法、模糊逻辑控制算法、遗传算法和神经网络算法等[8]。这类算法在解决实时追踪问题上具有巨大的优势，但也存在局限性，由于该类算法大多是以前人研究经验为基础，是实验科学，参数的选取需要在大量实验的基础上进行，具有一定的随机性和偶然性，对于不同的问题，参数的选取不具有统一性，在不同的光伏系统进行寻优时，每次都需要重新进行参数选择，工作量较大。

2.3 车体技术

受技术发展限制，现有的太阳能光伏电池光电转换效率较低，要想满足太阳能割草机作业所需的功率，只能选择通过增加太阳能电池板的面积来实现，但这必然会使车体结构过大，能耗增加。此外，受制造材料性能的制约，目前使用的大部分太阳能光伏电池不具备柔性，很大程度上限制了车身外形的设计。车体轻量化技术研究是提高系统效率的另一有效措施。汽车铝业协会调研数据显示，汽车车体质量每减少10%，燃油消耗可降低6%～8%[9]。因此，优化车身结构，选择使用轻量化材料是降低整车质量、提高整车效率的有效手段。减轻车体的质量对提高燃油经济性有显著影响[10]。

2.4 能量管理系统技术

能量管理系统技术的研究在太阳能割草机的应用中至关重要，该技术不仅需要预测系统负荷情况，评估蓄电池的状态，还需要实现光伏电力在蓄电池充电和多种电器性负载用电之间的合理调度[11]。能量管理系统技术的研究对提高太阳能车辆的续航里程、提高蓄电池的使用寿命以及降低成本有着重要的意义。

王晓璨等人[12]基于SG3525 设计了一款光伏电动车供电系统，该系统提高了PC 电池输出的利用率，但在太阳能光伏电池模块的优化上，未引入MPPT 功能，电池输出功率较低的问题无法解决，且该控制电路相对较复杂，需要实时检测总线电压。

赵润富等人[13]提出了一种太阳能电动车辆的能量管理控制策略，其概念主要是：采用MPPT功能，最大程度地控制太阳能光伏电池工作在最大功率点处，光电转换效率最佳，同时由蓄电池动态调节系统电压稳定为负载供电，而当蓄电池的充电电压过高或饱和充电，并且光伏电池输出功率大于负载所消耗的功率时，光伏电池控制电路会主动调整输出模式，转变为恒压输出，并对负载和蓄电池提供能量。通过该能量控制策略，可主动实现系统工作模式的动态切换，保证负载长期平稳运行。

柏莉[14]介绍了一种双输入DC/DC 转换电路，在实现光蓄互补的同时，实现MPPT 控制器和双输入DC/DC 转换电路的控制。然而，该转换电路的缺点是电路复杂，稳定性和可靠性还需要通过大量实验进一步验证。

尽管能量管理系统技术受到了较多研究者的关注，研究有一定进展，但是技术并不成熟，主要是蓄电池的容量与其电压、电流呈现严重的非线性关系，同时能量管理系统还缺乏准确的数学模型。