養殖池塘太陽能供電智能增氧系統設計研究

楊世鳳， 王玉鵬， 李歡歡， 趙繼民

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

養殖池塘太陽能供電智能增氧系統設計研究

楊世鳳， 王玉鵬， 李歡歡， 趙繼民

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

針對水產養殖存在的自動化水平低、增氧設備耗能高以及太陽能利用技術普及不足等現狀，設計了一套以太陽能為主要動力來源的水產養殖智能增氧系統。通過研究太陽能供電系統各部分的組成結構、運行方式及特點，結合選定地點的太陽能資源情況，分析不同情形下太陽能的輻射強度，確定光伏陣列容量，計算系統每日發電量與負載用電量的匹配情況，以達到太陽能電池板容量的優化配置，并將其應用于智能供氧系統。系統采用基于ATmega128單片機的硬件電路，以及軟件程序設計，運用電導增量法、三階段式充電法、逆變電路等技術實現最大功率點的跟蹤、蓄電池的智能充放電、逆變器SPWM控制、供電源自動切換和增氧設備自動啟停等主要功能。結果顯示，該系統能有效提高魚塘增氧效率、降低養殖成本，實現水產養殖的環保化和自動化。結果表明：該系統運行穩定、可靠、節省電能，能提高水體溶氧，可滿足節能、環保的要求。

水產養殖；太陽能；電導增量法；逆變器；ATmega128單片機

近年來水產養殖業正在向高密度、集約化、機械化方向發展。增氧機是提高水產養殖產量的重要設備，但其耗電量極大。據測算[1]，池塘養殖中增氧年耗電量達4.03×1010kW·h，占池塘養殖總能耗的54.6%。此外，現有的水質監控儀器只能監測而無法調控水質[2]。目前大多數水產養殖者仍是憑借經驗，依天氣變化及水產品活動情況來判斷水質，控制增氧機的啟停時間。這不僅導致增氧不及時或增氧過度，還造成電力與人力資源的嚴重浪費。

本研究將水質監控[3]和增氧設備結合起來，設計了一種太陽能供電、能夠自動監測水質并控制增氧機啟停的智能水質監測增氧系統。近年來我國太陽能利用技術發展迅猛、應用廣泛[4-10]。本研究以太陽能供電系統為主要研究對象，以單片機為控制核心，獨立設計和優化系統電路，編寫所用硬件設備控制程序，以實現太陽能發電最大功率點跟蹤、蓄電池智能充放電、逆變器SPWM控制、供電源切換和增氧設備自動啟停等主要功能。

1 系統工作原理及組成

1.1 太陽能供電增氧系統

本系統主要由太陽能供電增氧系統(圖1)。

圖1 系統總體結構框圖

以太陽能為動力，驅動交流耕水機，完成對封閉水體的增氧，主要包括太陽能電池板、MPPT電路、充放電控制電路、蓄電池組、逆變器、交直流負載；發電系統可根據日照強弱、負荷變化，不斷對蓄電池組充電、放電或浮充等多種工況進行切換和調節，將調整后的電能提供給交直流負載，同時蓄電池組儲存多余電能，當發電量不能滿足負載需要時，蓄電池組通過控制器給負載提供電能，實現蓄電池多種工況的交替運行，以保證發電系統的連續與穩定。此過程全部由主控制器自動控制，無需人員操作，體現了本系統的智能化。

1.2 水質參數監控系統

水質監控系統主要對養殖環境參數進行檢測與控制，即通過傳感器檢測溶氧、溫度等水質指標，并將這些模擬量轉換為主控制器可以接收的數字量，然后與給定參數對比，并經主控制器控制算法優化，實現對增氧設備的控制。

2 系統功能設計

2.1 太陽能發電系統

2.1.1 電池容量

電池容量包括太陽能光伏電池容量與蓄電池組容量。光伏容量設計以滿足系統日常工作所需的最少太陽能電池組件和蓄電池數量為宜[11]，進而使電池組件和蓄電池容量實現優化組合，以實現可靠性與經濟性。

太陽能光伏電池板所選型號為TL075，其容量計算如下：

平均日輻射時數H：

H=Ht×2.778/1 000

(1)

式中：Ht—太陽能電池組件安裝地點日輻射量，MJ/m2。

太陽能電池組件日發電量QP：

QP=Im×H×KOP×CZ

(2)

式中：Im—太陽能電池組件最佳工作電流，A；KOP—斜面修正系數，取值為1.09～1.14；CZ—修正系數，一般取0.8。

太陽能電池組件并聯數NP：

Bcb=A×Q1×N

(3)

(4)

式中：Bcb—蓄電池補充容量，Ah；A—安全系數，取值為1.1～1.4；Q1—日耗電量，Ah；N—最長連續陰雨天數，d。

太陽能電池組件串聯數：

(5)

式中：UR—太陽能電池方陣輸出最小電壓，V；UOC—太陽能光伏組件標稱電壓，V；Ur—蓄電池浮充電壓，V；UD—二極管壓降，V；UC—其他因素引起壓降，V。

太陽能電池方陣功率和輸出電流：

P=P0×NS×NP

(6)

I=NP×ISC

(7)

式中：P0—太陽能電池組件的額定功率，W。

采用MPPT控制模型的電導增量法實現最大功率點跟蹤，進而控制太陽能電池端電壓，使其能在不同日照輻射強度和溫度環境下輸出最大功率[12-13]。其MATLAB仿真結果如圖2所示。

圖2 電導增量法MPPT控制仿真結果

蓄電池組容量需要考慮太陽能電池方陣的功率、負載容量和逆變器的工作效率以及自給天數，一般取自給天數為3～5 d，嚴格用電負載可取7～14 d。計算公式如下：

(8)

式中：A—安全系數，取值1.1～1.4；Q1—日耗電量，Ah；N—最長連續陰雨天數；T—溫度修正系數，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；CC—放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。

2.1.2 逆變器電路

將逆變器[14]加入到太陽能供電智能增氧系統給交流負載供電是本系統一個創新設計。根據系統需求采用兩級變換拓撲結構設計了一種隔離型逆變器，即前級DC-DC升壓變換，后級DC-AC全橋逆變。這種架構具有性能可靠、控制相對獨立簡單等特點，便于系統軟硬件模塊化設計[15]。逆變器首先將Boost端輸出的電能或蓄電池端輸出的電能(約24 V)通過輸入濾波電路進行濾波處理，通過推挽升壓變換將直流電壓從24 V升至360 V左右，然后用單相全橋逆變進行逆變處理，最后將輸出的脈沖波經過LC低通濾波器消除高次諧波，輸出50 Hz的交流電壓。

圖3 逆變電路圖

2.2 系統硬件設計

2.2.1 檢測電路

本系統能夠對溶氧和溫度以及光伏電池和蓄電池的電壓、電流等進行實時檢測并反饋到單片機中進行判斷，并對設備進行相應調整。選取瑞士HAMILTON的OXYSNS120溶氧傳感器測量溶氧[16]，溫度傳感器為達拉斯半導體公司生產的DS18B20[17]。同時采用并聯大電阻的分壓方法來檢測光伏電池和蓄電池的電壓，采用中間電壓轉換的方法監測電流信號。為了使檢測值更加穩定，加上電壓跟隨器LM358[18]，并且在輸出端加上濾波電容，消除擾動信號。

2.2.2 蓄電池充電電路

與傳統蓄電池不同，本系統采用美國TI公司的鉛酸蓄電池充電專用芯片UC3906[19]，并采用雙電平浮充充電方式，屬于典型三階段充電法[20]，能夠實現溫度自適應、充放電程度自適應以及限流、欠壓保護等(圖4)。

圖4 三段式充電電壓、電流曲線

智能充電流程如圖5所示，其中Ub為蓄電池電壓，I為充電電流，IOC為過充終止電流。

2.2.3 輸出控制電路

輸出控制電路有實現負載驅動、供電源切換(太陽能電池、蓄電池、民用電)的功能，主要由光電隔離、信號放大、繼電器組成。

圖5 蓄電池智能充電流程圖

2.3 系統軟件設計

使用ATMEL公司推薦的第三方C編譯器ICCAVR6，具有功能合適、使用方便、技術支持好的特點。系統軟件設計主要有主程序設計、MPPT控制程序設計、蓄電池智能充放電控制程序設計、供電源切換程序設計、耕水機控制程序設計。在智能增氧系統中，以太陽能供電為主，民用備用電輔助。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

系統首先進行初始化，然后打開中斷，中斷包括兩個定時器中斷和一個外部中斷，前者分別用來設定各個參數檢測的時間間隔和最大功率點跟蹤的時間。初始化后，系統首先對蓄電池參數進行采樣，以此判斷蓄電池是否需要充電并調用充電子程序，然后選擇供電源，準備就緒后開始檢測溶氧參數，以此來判斷是否開啟耕水機。

3 系統測試與結果

3.1 測試條件

本系統在天津市寶坻區水產養殖基地測試。選擇一民用魚塘進行示范應用研究。將水質監控系統安裝在距離投食處約10 m遠水域，此處魚群密度較為適中，測量數據具有參考價值。增氧機位于魚塘左側，太陽能發電系統位于岸邊。試驗過程中，傳感器實時測得的溶氧與水溫等信息能夠正常傳輸、顯示，并由主控制器判斷是否啟動增氧機。

3.2 結果與分析

本系統選用的太陽能電池選用型號為TL075，短路電流4.95 A，開路電壓21.6 V，峰值電壓17.2 V，最大工作電流4.36 A，峰值功率75 W；采用的鉛酸蓄電池額定電壓1 V，額定容量150 Ah，浮充電壓設13.8 V，過充電壓15 V。在日常光照較充足情況下，樣機啟動后，單片機通過對Boost電路輸出端電壓和電流的檢測計算出最大功率點功率(表1)。可以看出，輸出電壓、電流基本維持在17.91 V、3.15 A，輸出功率56.45 W，基本滿足增氧系統的供電需要。當系統達到當前環境條件下的最大功率輸出之后并沒有停留在最大功率點上，而是一直在此點附近震蕩，這符合電導增量法的跟蹤理論和預期結果。該系統在連續無太陽的情況下可供用戶5 d的使用電量。調查發現，我國太陽能資源可利用率達到85%，太陽能發電系統是戶用型小容量可再生能源發電系統的最佳選擇[21]。經過分析，所設計的太陽能發電智能增氧系統大大降低了水產養殖戶的養殖成本。

表1 檢測數據

4 結論

針對水產養殖中的水質調控以及增氧設備耗電大的問題，提出了采用太陽能供電的智能增氧系統。該系統由太陽能供電，通過傳感器實時監控魚塘中的溶氧、溫度、pH等水質信息，通過與主控制器內存儲的正常值相比較，可自動控制增氧機的啟動，增加溶氧。經測算，試驗所在地日平均輻射量為16.8 MJ/m2，所設計的太陽能電池組件日發電量為17.75 Ah，能夠驅動系統正常運轉，實現了水產養殖低能耗與自動化的設計目標。

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Studyondesignofsolarpoweredintelligentoxygen-increasingsysteminaquacultureponds

YANGShifeng,WANYYupeng,LIHuanhuan,ZHAOJimin

(CollegeofElectronicInformationandAutomation,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300222,China)

In view of the low-level automatization, high energy-consumption oxygen-increasing equipment and low popularity of solar power technologies in the aquaculture industry, an intelligent oxygen-increasing system for aquaculture mainly based on solar energy was designed. In this paper, the solar radiation intensity under various situations was analyzed; the PV array capacity was determined; the daily power generation capacity and the power consumption were calculated to get the matching situations between them so as to achieve the optimal allocation of solar panel capacity and apply it to the intelligent oxygen-increasing system, by the study of the composition, operation mode and characteristics of each part of the solar power supply system along with the solar energy resources of selected locations. The system adopted the design of the hardware circuit and software program based on the ATmega128 single-chip microcomputer, and the techniques of incremental conductance, three-stage charging, inverter circuit,etc. to achieve the maximum power point tracking, intelligent battery charging and discharging, inverter SPWM control, automatic switching power supply, automatic start-stop of oxygen equipment, etc. The results showed that the system can effectively increase the oxygen-increasing efficiency in fish ponds, reduce the aquaculture cost, achieve the environmental protection, and automation of aquaculture. The system has already entered into trial and the trial results proved that the system is stable and reliable, which can improve the oxygen dissolution level in the water, thus satisfying the requirements of energy saving and environmental protection.

aquaculture; solar energy; incremental conductance; inverter; ATmega128 single-chip microcomputer

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.06.012

2017-09-13

天津市農業科技成果轉化與推廣項目(201502360)

楊世鳳(1960—)，男，教授，博士，研究方向：智能化自動化系統與裝置。E-mail：yangsf@tust.edu.cn

S969.32+1

A

1007-9580(2017)06-068-05