基于光伏發(fā)電的農(nóng)村灌溉木耳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐雪　劉偉　張鍔

在能源日益枯竭的今天，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展越來(lái)越得到全世界的重視，把光伏產(chǎn)業(yè)帶進(jìn)新農(nóng)村也是我國(guó)投資的重點(diǎn)。本文把光伏發(fā)電應(yīng)用于某農(nóng)村灌木耳產(chǎn)業(yè)，使灌木耳產(chǎn)業(yè)成為節(jié)能產(chǎn)業(yè)，再利用單片機(jī)軟件編程進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化灌溉。

【關(guān)鍵詞】光伏 逆變器 STC51單片機(jī)

隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，具有規(guī)模化機(jī)械化的大面積示范區(qū)域木耳養(yǎng)殖成為農(nóng)民致富途徑之一，同時(shí)大規(guī)模的木耳養(yǎng)殖也衍生出相應(yīng)技術(shù)問(wèn)題，大面積集中灌溉時(shí)農(nóng)村基礎(chǔ)電網(wǎng)電力負(fù)載差，嚴(yán)重影響農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益和生活質(zhì)量，甚至引起火災(zāi)等不安因素。由于北方農(nóng)作物生長(zhǎng)周期短，重新鋪設(shè)電網(wǎng)成本高、操作復(fù)雜。所以急需尋找一種容易安裝成本低穩(wěn)定性好的新的能源灌溉手段，本文針對(duì)北方氣候，以木耳生長(zhǎng)周期灌溉水量為基礎(chǔ)，為此選擇了太陽(yáng)能為灌溉系統(tǒng)提供能源。本系統(tǒng)具有成本低，安裝方便，穩(wěn)定性強(qiáng)，易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，滿足農(nóng)民種植需要。

1 光伏灌溉系統(tǒng)概述

光伏灌溉系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池板及充放電控制器、蓄電池、1000瓦水泵、逆變器、控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)的工作過(guò)程為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，再由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。根據(jù)計(jì)算單位面積單位時(shí)間內(nèi)木耳灌溉所需要的能量來(lái)確定本系統(tǒng)選擇器件的主要參數(shù)。

太陽(yáng)能電池板的作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化電能，太陽(yáng)能電池板分為多晶硅太陽(yáng)能電池板和單晶硅太陽(yáng)能電池板。根據(jù)木耳灌溉面積及周期，計(jì)算得出每天需要能量，再根據(jù)太陽(yáng)能電池板的壽命周期，尺寸，能量轉(zhuǎn)化率，選擇兩塊250W的單晶硅的太陽(yáng)能電池板。

太陽(yáng)能充放電控制器是協(xié)調(diào)太陽(yáng)能電池板、蓄電池、負(fù)載工作的重要部件，主要為更高效率的太陽(yáng)能充電，以及對(duì)蓄電池的過(guò)充過(guò)放保護(hù)。由于控制器24小時(shí)工作，為此選擇低功耗的控制器是必要的。

蓄電池和水泵選擇24V100AH的膠體電池和1000W 揚(yáng)程4.5m的水泵。逆變器是將24V蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為交流220V，供給水泵使用。控制系統(tǒng)是根據(jù)需要來(lái)智能控制水泵的通電時(shí)間。

2 逆變器系統(tǒng)

逆變電源的主要作用是為負(fù)載提供高質(zhì)量電能，如何降低輸出電壓中的諧波含量是研制逆變電源時(shí)所考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。在逆變電源中，負(fù)載特性在很大程度上決定了電源輸出電壓的調(diào)制方式。為了獲得比較理想的正弦波輸出，逆變器通常采用正弦脈寬調(diào)制方式 （SPWM）。由于本逆變器的負(fù)載為水泵，是感性負(fù)載，為此本逆變電路利用EGS002驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生四路帶有死區(qū)時(shí)間的SPWM控制信號(hào)分別控制構(gòu)成H橋電路上的四個(gè)N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，從而輸出純正弦波的信號(hào)。系統(tǒng)圖如圖1所示。

3 逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)結(jié)構(gòu)

由EG8010產(chǎn)生四路SPWM為本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，SPWM為正弦波脈寬調(diào)制波形就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。它的原理是把正弦波分成等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸包圍的面積用一個(gè)與此面積相等的矩形脈沖來(lái)代替，矩形脈沖的幅值是不變的，各脈沖的中點(diǎn)與每一等分的中點(diǎn)重合。這樣，由若干個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖組成的波形稱作SPWM波。SPWM技術(shù)能夠極有效地減少輸出波形的諧波含量，它不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，而且在頻率、效率等諸多方面有著明顯的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛的應(yīng)用在逆變電源的各個(gè)部分進(jìn)行諧波的消除和電壓的調(diào)節(jié)。由于產(chǎn)生的四路SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力不足以直接驅(qū)動(dòng)MOS管，為此選用了IRF2110S驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。IRF2110S具有2A的驅(qū)動(dòng)能力，并且還具有隔離強(qiáng)弱信號(hào)的能力，它大大提高了電路的穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4 逆變器保護(hù)電路

逆變器保護(hù)包括過(guò)壓和欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)。過(guò)壓保護(hù)是防止輸出電壓過(guò)高導(dǎo)致用電器負(fù)載燒毀，欠壓保護(hù)是防止輸出電壓過(guò)低導(dǎo)致用電器不能正常工作，EG80101芯片內(nèi)部設(shè)定過(guò)壓保護(hù)閾值為3.15V，欠壓保護(hù)閾值2.75V，延時(shí)采樣時(shí)間為300ms，當(dāng)外部發(fā)生過(guò)壓或欠壓保護(hù)時(shí)，EG8010 芯片控制SPWM模塊輸出低電平，關(guān)閉所有功率MOSFET管，此時(shí)輸出低電平，延時(shí)8S后SPWM模塊輸出高電平重新打開(kāi)功率 MOSFET管，再判斷此時(shí)輸出電壓情況，若在100ms內(nèi)仍然欠壓或過(guò)壓，EG8010芯片再次控制SPWMOUT輸出低電平關(guān)閉MOSEFT，如果欠壓和過(guò)壓次數(shù)累積到5次仍然出現(xiàn)欠壓或過(guò)壓事件，則EG8010將徹底關(guān)斷 SPWM模塊的輸出，要想正常工作需要系統(tǒng)重新上電。

EG8010管腳（14） 是測(cè)量逆變器輸出電流大小的管腳，電流流經(jīng)采樣電阻會(huì)產(chǎn)生采樣電壓，芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓設(shè)定0.5v過(guò)流檢測(cè)延時(shí)時(shí)間為 600mS，若出現(xiàn)過(guò)流事件，EG8010會(huì)使SPWM模塊輸出低電平。從而使負(fù)載輸出低電平，保護(hù)功率 MOSFET 和負(fù)載。

如圖3所示 NTC 熱敏電阻 RT1 和測(cè)量電阻 RF1 組成一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓電路，能進(jìn)行過(guò)溫保護(hù)，分壓值隨著溫度值變化而變化數(shù)值，這個(gè)電壓的大小將反映出 NTC 電阻的大小從而得到相應(yīng)的溫度值。NTC 選用 25℃對(duì)應(yīng)阻值 10K（B 常數(shù)值為 3380）的熱敏電阻，TFB引腳的過(guò)溫電壓設(shè)定在 4.3V，當(dāng)發(fā)生過(guò)溫保護(hù)時(shí)，EG8010 根據(jù)引腳（9）PWMTYP 的設(shè)置狀態(tài)將輸出 SPWMOUT1～SPWMOUT4 到“0”。從而保護(hù)功率 MOSFET 和負(fù)載。

5 51單片機(jī)控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)需要自動(dòng)控制灌溉時(shí)間和灌溉時(shí)間間隔，并且人為可控制灌溉時(shí)間與灌溉間隔。為此設(shè)計(jì)了基于51單片機(jī)的控制系統(tǒng)如圖4所示：

按鍵S1、S2、S3是設(shè)定灌溉時(shí)間與灌溉時(shí)間間隔的，單片機(jī)內(nèi)部開(kāi)始定時(shí)，當(dāng)需要灌溉時(shí)單片機(jī)P13腳輸出高電平控制水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，高電平時(shí)間由灌溉時(shí)間控制，當(dāng)需要人為的控制灌溉時(shí)間控制開(kāi)關(guān)K2即可。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)尚志市葦河鎮(zhèn)木耳養(yǎng)殖基地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，本套系統(tǒng)完全滿足木耳生長(zhǎng)環(huán)境下使用，不僅節(jié)約了電能，而且科學(xué)的對(duì)木耳進(jìn)行了灌溉。提高了木耳產(chǎn)量，進(jìn)而提高了農(nóng)民的效益。

（通訊作者：張鍔，教授。）

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作者簡(jiǎn)介

唐雪（1989-），女，黑龍江省人。現(xiàn)為哈爾濱師范大學(xué)碩士研究生在讀。

作者單位

哈爾濱師范大學(xué) 黑龍江省哈爾濱市 150025endprint