東北農(nóng)戶屋頂太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艷麗， 牛國(guó)玲， 姜永成， 王 震， 邊 澤

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

?

東北農(nóng)戶屋頂太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艷麗， 牛國(guó)玲*， 姜永成， 王 震， 邊 澤

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

為了提高太陽(yáng)能發(fā)電的效率和太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，根據(jù)東北農(nóng)戶的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可以自動(dòng)追蹤日光的太陽(yáng)能發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)共分為三大部分，分別為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、向光追日控制系統(tǒng)、自動(dòng)清理系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的基本組成和工作原理， 給出了具體的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，并且滿足了東北農(nóng)戶的能源需求，具有廣泛推廣的價(jià)值。

可再生能源；太陽(yáng)能；自動(dòng)化；除塵

目前，國(guó)外利用太陽(yáng)能發(fā)電已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，并且掌握太陽(yáng)能光伏電池所需的多晶硅提純的核心技術(shù)，但是在我國(guó)，利用太陽(yáng)能發(fā)電才剛剛起步，并沒(méi)有良好的市場(chǎng)環(huán)境和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，光伏發(fā)電的成本比一般發(fā)電成本高數(shù)倍，沒(méi)有達(dá)到自動(dòng)化的程度。如果引進(jìn)國(guó)外的自動(dòng)化技術(shù)，其設(shè)備不能滿足我國(guó)各個(gè)地區(qū)的使用環(huán)境。因此，提高新型能源的利用效率、減少化石類能源的消耗、改善生活環(huán)境，必須發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電的自動(dòng)化技術(shù)，提高能源的利用率。因此，筆者設(shè)計(jì)了在東北農(nóng)戶屋頂上進(jìn)行可以追蹤太陽(yáng)的太陽(yáng)能發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)中，在追蹤日光方面，可采用集成放大電路為控制核心，它具有外接元件少、組成的電路結(jié)構(gòu)清晰易懂、集成度高、功耗小、可靠性高、易于大規(guī)模生產(chǎn)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。在清理方面，可采用繼電器控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)清雪板使其達(dá)到自動(dòng)清雪的效果。該系統(tǒng)不僅操作簡(jiǎn)單而且有效地提高了能源的利用率，具有一定的自動(dòng)化程度，適合于東北地區(qū)使用。

1　太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)總體分析

1.1總體方案系統(tǒng)總體可分為三大部分。第1部分為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能發(fā)電組件。第2部分為向光追日控制系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)。第3部分為自動(dòng)清潔除塵系統(tǒng)。

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，其核心是太陽(yáng)能電池板，采用的是光電直接轉(zhuǎn)換方式，原理是光電效應(yīng)，可以直接將太陽(yáng)照向太陽(yáng)能電池板上的輻射能轉(zhuǎn)換成電能，并通過(guò)蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)。

在向光追日控制系統(tǒng)中，利用太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制器來(lái)對(duì)太陽(yáng)光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)出信號(hào)改變脈沖頻率，達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的，使太陽(yáng)能發(fā)電板一直面向太陽(yáng)。

在自動(dòng)清潔控制系統(tǒng)中，采用繼電器連接控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)控制清雪板，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電板的清潔。

1.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則根據(jù)東北地區(qū)農(nóng)村冬天的特點(diǎn)，以及冬天能源更加缺乏的問(wèn)題，所建立的系統(tǒng)應(yīng)該遵循5個(gè)原則：①簡(jiǎn)單。即要求安裝與操作簡(jiǎn)單。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，要充分考慮到使用者東北農(nóng)戶的知識(shí)范圍以及系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低使用的難度，讓對(duì)此類知識(shí)不熟悉的人也能快速地學(xué)會(huì)它的使用方法，并能靈活區(qū)分，增強(qiáng)系統(tǒng)的推廣價(jià)值，以達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。②可靠。可靠性是衡量系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的一個(gè)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，器件的可靠性和系統(tǒng)的可靠性要兼具。如果可靠性低則勢(shì)必會(huì)影響到追蹤日光的準(zhǔn)確性，所以，為了保證可靠性，就要嚴(yán)格挑選器件，符合系統(tǒng)的要求，選用可靠性高的器件;在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，要充分考慮好器件的電器特性，合理的布線，準(zhǔn)確地安裝與調(diào)試。③合適。在選擇電子器件的時(shí)候，不能僅關(guān)注器件的性能，還要根據(jù)實(shí)地環(huán)境的情況來(lái)選擇適宜的器件，選擇器件要按照以下要求:首先，滿足系統(tǒng)最基本的要求是底線；其次，系統(tǒng)的計(jì)算誤差小；最后，簡(jiǎn)化器件的電路，從而增加抗干擾的能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。④性價(jià)比高。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，在可靠性的基礎(chǔ)上絕對(duì)不能忽略掉系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。不僅要保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度、穩(wěn)定性等參數(shù)達(dá)到用戶的要求，還要擁有合理的性價(jià)比，性價(jià)比的提高不能以犧牲系統(tǒng)性能為代價(jià)。⑤因地制宜。在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮使用該產(chǎn)品的實(shí)地環(huán)境，要考慮東北地區(qū)的氣候、溫度、濕度等，從而提高產(chǎn)品的可用性和安全性。

1.3主要部件的選擇根據(jù)系統(tǒng)總結(jié)的方案和要實(shí)現(xiàn)的功能，以及考慮到東北農(nóng)村室外的環(huán)境情況。采用光敏電阻為采光模塊，用太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制器為主控制芯片，用電機(jī)來(lái)作為整個(gè)設(shè)計(jì)的輸出模塊，以LM358電路作為信息處理器并向L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)出信號(hào)，來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以此來(lái)帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到追蹤太陽(yáng)的效果。用繼電器來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板上的擋板做往返運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)太陽(yáng)能電池板的清雪、清灰。

2　控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

提高太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的發(fā)電效率的方法有很多[1-3]，該設(shè)計(jì)是通過(guò)單軸跟蹤技術(shù)和表面除塵技術(shù)2個(gè)方面來(lái)提高太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)的發(fā)電效率的。

2.1光照強(qiáng)度模塊現(xiàn)在光照強(qiáng)度傳感器己經(jīng)由模擬化向著數(shù)字化的方向發(fā)展，而數(shù)字傳感器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用廣泛的市場(chǎng)下也使得光照強(qiáng)度傳感器的價(jià)格很高，一個(gè)傳感器的價(jià)格高達(dá)200多元，如果用這種傳感器做完此次設(shè)計(jì)，成本很高。考慮到其應(yīng)用人群的收入及知識(shí)范圍，故選用成本低的光敏電阻。它是一種電阻值隨著入射光線的強(qiáng)弱變化而變化的電阻元件，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的[4]。入射光線越強(qiáng)，電阻值越小；入射光線越弱，電阻值越大。除了擁有靈敏度高、穩(wěn)定、反應(yīng)速度快、光譜特性好等特點(diǎn)外，還有在高低溫、潮濕、烈日等惡劣的環(huán)境中都能不受環(huán)境的影響，它的性能不會(huì)發(fā)生任何變化。因此，廣泛地應(yīng)用在光控玩具、驗(yàn)鈔機(jī)、路燈自動(dòng)開(kāi)關(guān)等自動(dòng)控制領(lǐng)域中，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體型也比較小。

2.2跟蹤模塊如圖1所示，雙運(yùn)放LM358與R1、R2構(gòu)成了2個(gè)電壓比較器，光敏電阻RT1、RT2與電位器RP1和光敏電阻RT3、RT4與RP2分別構(gòu)成了光敏傳感電路。如圖1所示，將RT1和RT3安裝在同一側(cè)，RT2和RT4安裝在另一側(cè)，當(dāng)RT1、RT2、RT3、RT4同時(shí)受到光照時(shí)RT1和RT2的中心點(diǎn)電壓不變，如果RT1和RT3受到的光照強(qiáng)度大于RT2和RT4，RT1的內(nèi)阻減小，LM358的3腳電位升高,1腳輸出高電平，三極管VT1飽和導(dǎo)通，繼電器J1導(dǎo)通，其轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)3與觸點(diǎn)1閉合，同時(shí)RT3內(nèi)阻減小，LM358的5腳電位下降,J2不動(dòng)作，其轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)3與靜觸點(diǎn)2閉合，電機(jī)M正轉(zhuǎn)，同理，反之則反轉(zhuǎn)。

圖1　跟蹤器電路Fig.1　Circuit diagram of tracker

2.3清雪控制系統(tǒng)在太陽(yáng)能電池板清理這方面，主要的問(wèn)題是灰塵、積雪等覆蓋到發(fā)電板上影響太陽(yáng)能電池板正常工作。考慮到東北地區(qū)年年冬天都會(huì)下雪，有些時(shí)候就會(huì)有一些雪堆積在太陽(yáng)能電池上影響太陽(yáng)能發(fā)電的效率，為應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題選擇了利用繼電器來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)太陽(yáng)能發(fā)電板上的清雪板。當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板上面存有積雪的時(shí)候，按下開(kāi)關(guān)后清雪板會(huì)在電機(jī)的帶動(dòng)下將積雪清理干凈，其原理是電機(jī)的正反轉(zhuǎn)原理。

在這個(gè)控制系統(tǒng)中，當(dāng)人們按下啟動(dòng)按鈕后，電機(jī)帶動(dòng)清雪板開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到太陽(yáng)能電池板的另一端時(shí)會(huì)碰到行程開(kāi)關(guān)右限位上，這時(shí)電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)，對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行二次清理，并返回到出發(fā)點(diǎn)的位置，當(dāng)回到出發(fā)點(diǎn)的位置時(shí)會(huì)觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)左限位上，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣清雪板的一來(lái)一回會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池板的表面進(jìn)行清潔處理，除掉太陽(yáng)能電池板上的灰塵、積雪等影響太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的物體，達(dá)到清潔的效果，并提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。除塵控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2　除塵控制系統(tǒng)原理Fig.2　Dust control system schematic

3　系統(tǒng)的安裝與調(diào)試

此次設(shè)計(jì)用到的是一個(gè)10 W的小塊太陽(yáng)能電池板，所以在清潔處理中采用的是比較簡(jiǎn)單的方法，通過(guò)繼電器來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)清雪板來(lái)完成此任務(wù)。

圖3是清雪板在太陽(yáng)能電池板的工作圖。在太陽(yáng)能電池板的兩端固定住2個(gè)擋板，并在2塊擋板上面安上3個(gè)行

圖3　清雪板的工作圖Fig.3　Working diagram of snow cleaning plate

程開(kāi)關(guān)，分別控制清雪板的正轉(zhuǎn)停止、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)停止。當(dāng)人們按下正轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)后，電機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行一周后停止，這樣就能起到清雪除塵的作用。

按照設(shè)計(jì)的方案和電路連接圖正確連接后，按下正轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，發(fā)現(xiàn)清雪板在電機(jī)的帶動(dòng)下完成工作一周后停止，再次按下還是工作一周后停止。說(shuō)明方案設(shè)計(jì)正確，可以使用。

4　 結(jié)論

能源的缺乏已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)，太陽(yáng)能作為一種可再生能源，如何將其資源化、合理化利用已成為社會(huì)熱點(diǎn)話題。該設(shè)計(jì)根據(jù)東北農(nóng)戶房屋特點(diǎn)，進(jìn)行了屋頂太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過(guò)精心的設(shè)計(jì)，極大地提高了系統(tǒng)的性能，具有高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了自動(dòng)化程度及對(duì)太陽(yáng)能利用的效率。同時(shí)也改善了我國(guó)當(dāng)前太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)自動(dòng)化程度低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單的現(xiàn)狀，極大地推動(dòng)了我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。該設(shè)計(jì)性價(jià)比高，能夠滿足大多數(shù)農(nóng)民的操作要求，適用面廣，具有良好的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功，對(duì)我國(guó)東北農(nóng)戶能量的需求和資源化利用的研究有著積極的意義，且具有一定經(jīng)濟(jì)效益，可大面積推廣應(yīng)用。

[1] 胡阿琴,孟祺.我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[J].湖北社會(huì)科學(xué), 2011(4):92-95.

[2] 呂貝, 邱河梅, 張宇.太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].華電技術(shù), 2010(32):73-82.

[3] 韓濤, 龔恒祥, 周康渠,等.國(guó)內(nèi)光伏組件除塵專利技術(shù)比較研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2015(8):66-69.

[4] 賈勇.基于MSP430的太陽(yáng)光源跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2015(9)：29-30.

Design of Solar Power Generation System on Northeast Rural Roof

ZHANG Yan-li, NIU Guo-ling*, JIANG Yong-cheng et al

(Mechanical Engineering Institute of Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007)

In order to improve the efficiency of solar power generation and automation degree of solar power generation system, this paper proposes a control system of solar power system which automatically tracks the sun based on the characteristics of the northeast farmer.This system is divided into three parts, including respectively solar power generation system, light control system, and automatic cleaning system.This paper introduces the basic composition and working principle of solar power generation system in detail, and gives a specific design scheme.This system has a high degree of automation, and meets the demands of the energy of northeast farmers, and has extensive promotion value.

Renewable energy; Solar energy; Automation; Dust removal

田間作業(yè)裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(cxtd-2013-01)；黑龍江大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510222037，201610222106)；佳木斯大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目(2016JL1004)；佳木斯大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目(xzyf2016-15)。作者簡(jiǎn)介張艷麗(1974- )，女，黑龍江巴彥人，講師，博士，從事農(nóng)業(yè)電氣化研究。*通訊作者，副教授，碩士，從事農(nóng)業(yè)電氣化研究。

2016-07-08

S 214

A

0517-6611(2016)22-169-02