太陽能光伏植物生長系統的設計與試驗

胡俊生，蘇穎欣，辜 松，劉厚誠，夏紅梅，楊 意，楊艷麗

(1.華南農業大學 a.工程學院;b.南方農業機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室；c.園藝學院, 廣州 510642； 2.廣州實凱機電科技有限公司，廣州 510642)

0 引言

隨著生活水平的提高，人們已經不再滿足于物質基本需求，精神需求也日益強烈，尤其對工作在沙漠、船舶等資源相對緊張區域的人。由于這些地域環境比較惡劣，并不適合植物正常生長，當前解決植物生長與環境不符合問題的常用手段是修建溫室，溫室因其內部環境參數可調節，這種調節可在作物無法正常生長的環境中維持植物正常生長，因此在園藝生產中廣泛采用[1]。現今溫室主要分為半封閉式和封閉式：半封閉式存在病蟲害入侵、能量利用率不高、室內環境參數無法均衡和穩定控制等[2-3]問題；封閉式系統雖解決了半封閉式溫室存在的問題，但現行封閉溫室受控對象多、控制精度高，所以對能量需求量高，不適用于能量緊張地區。此外，常規溫室所需能源都是實時供給，缺乏自持能力。鑒于國內對無動力源且具自持能力的微小型植物生長系統研究鮮有報道，本研究提出一種由太陽能光伏供電的結構尺寸小、有階段性自持能力的植物生長系統，以實現植物在無動力源條件時能在該系統中穩定、正常生長。

1 系統總體設計

1.1 系統設計定位

據調研與實際工況分析，該系統應滿足以下需求：①系統能全天候工作，且要在設計時間內保證系統培育室內環境參數適合植物正常生長；②能適應在無外界電力供應區域工作；③具備一定智能化，能夠根據不同植物生長需求，設定適合各自需要的環境參數。

1.2 總體設計

光伏發電在現今溫室領域應用已十分廣泛[4-7]，本研究提出的太陽能光伏植物生長系統，由光伏發電系統、培育室、冷卻系統和環控系統等4部分組成，如圖1所示。在該系統中，除使用太陽能光伏發電作為系統工作需要的電能，不再使用外接動力源。培育室是保障植物正常生長的區域，除頂面為植物接收太陽光采用透明亞克力板外，其余5個面均為不透明塑料板。為有效控制培育室內環境條件，防止外界環境對其干擾，培育室采用密封處理；但考慮高溫條件下培育室內部空氣受熱膨脹，為防止培育處于高溫情況下，內部氣體膨脹破壞密封性，培育室留有0.002 4‰的孔隙度，起到高溫時卸壓作用。在培育室內布置有溫濕度傳感器、光照傳感器，以及冷卻系統的制冷風扇、冷卻銅管和裝載冷卻水的水箱。冷卻系統是植物生長系統的核心部件，由制冷機、制冷風扇、冷卻銅管和循環水泵組成，目的是降低培育室內溫濕度，維持培育室內環境達到設定要求。冷卻系統由環控系統控制，工作時由循環水泵驅動冷卻水在冷卻回路中運動，被制冷機制冷后的冷卻水通過冷卻銅管吸收培育室內熱量，再由制冷風扇將冷卻銅管周邊的冷空氣吹散到整個培育室，以加速培育室內溫度降低，減少冷卻系統工作時間，降低系統能耗。環控系統基于STC89C51單片機構建而成，其作用是通過布置在培育室內的各種傳感器實時檢測培育室內環境參數，將獲得的參數與設定值進行比較，根據比較得出的結果驅動冷卻系統動作。植物生長所需的水根據相應植物日需求量，結合植物設計存活壽命，一次性裝入培育室內部，由水泵供給植物。

1.太陽能電池板 2.蓄電池 3.培育室 4.制冷機 5.環控系統

2 光伏動力與控制系統設計

2.1 光伏動力設計

在本研究提出的太陽能光伏系統中，太陽能光伏電池是系統唯一電源。光伏動力由太陽能電池板、蓄電池、電源控制器組成。太陽能電池板選擇長沙光合太陽能有限公司生產的單晶太陽能電池板，其參數規格如表1所示。為使光伏發電系統處于系統最優條件下，蓄電池也采用與太陽能電池板同一廠家生產的硅能蓄電池，額定電壓為12V，標稱容量100AH。

電源控制器用于太陽能對外放電和對蓄電池進行保護，本研究中蓄電池其浮充電壓是14.5V，而太陽能電池板的工作電壓為17.5V，且由于太陽光的光強度在一天之內會出現多次的波動，會引起蓄電池充電電網不穩定，縮短蓄電池的壽命。太陽能自動充放電開關可以使蓄電池的充電壓穩定保持在14.5V，而且蓄電池對外供電也是通過該開關，因此太陽能自動充放電開關需具有防蓄電池出現過充和過放功能。由于環控系統中單片機控制單元功耗較小，為防止制冷機啟動造成系統電網波動影響環控系統穩定工作，系統采用德州儀器生產的LM2596S穩壓模塊給環控系統供電，保障環控系統用電穩定，LM2596S模塊輸入電壓為0～37V，輸出電壓為5V，能給環控系統提供穩定的供電電壓。

表1太陽能電池板參數表

2.2 控制系統設計

培育室是保障植物生長健康生長的核心，因此要保證培育室內環境要符合植物的生長模型[8]，就必須使用智能化的環控系統[9-11]。環控系統的控制核心是STC89C51單片機，使用相關傳感器采集培育室內環境參數和控制相關執行器對環境參數進行調整。由于需要檢測參數有溫度、濕度及植物接收到的光照強度等環境參數，所以在培育室內設置有用于檢測溫濕度的溫濕度傳感器AM2305，檢測光照強度的傳感器BH1750。

對溫濕度采集采用廣州奧松電子有限公司生產的溫濕度傳感器AM2305，測量范圍為：溫度，-40～80℃；濕度，0～99.9%RH；測溫精度是±0.3℃，測濕精度達0.1%RH。對光照強度的測量采用廣州龍戈電子科技有限公司生產的光照傳感器模塊BH1750，由于該模塊的內置AD芯片是16位的，因此其測量范圍為0～65 535Lx。系統冷卻系統由制冷機、冷卻銅管、制冷風扇和循環水泵4個部分組成，制冷機使用的是XD-2068型半導體制冷機，功率為120W，可對培育室內溫度進行有效的抑制，維持植物正常培育室間。

系統軟件設計要求是對培育室內環境參數全天候實時檢測，只要發現培育室內環境參數與設定值不符合，系統立刻驅動冷卻系統工作，對培育室進行降溫和除濕，使之符合設定值，維持植物健康生長。同時，軟件設計每天在7:00和18:00兩個時刻向培育室內植物提供水，封閉系統控制原理如圖2所示。

圖2 封閉系統控制原理

3 系統的測試與結果分析

為考察系統在實際中的應用效果，在系統培育室內放置由盆栽白掌作為實驗對象，在廣州秋季進行實際運行測試7天，得出系統培育室內環境參數的變化規律，在完成培育室密封性測試后，對工作時間在9:30-15:00時間段內培育室內環境參數進行采集，數據經整理的結果如圖3所示。

結合圖3中數據可知，培育室內部的溫度要高于外部溫度，但二者變化趨勢基本相同。在上午9:30時，由于太陽光照強度較弱，封閉系統培育室獲取的熱量少，培育室內部和外部溫度基本一致；隨著太陽光照強度的增強，且由于培育室處于密封狀態，培育室內部環境與外部物質和能量交換的直接通道被隔絕，故培育室內熱量不易散失，自10:00開始培育室內部溫度增速要高于外部溫度增速，在13:00培育室內部溫度到達最大值為39.7℃，而與之對應的外部環境溫度只在12:40到達最大值為36.8℃。因培育室內存放有植物，為防止溫度過高導致植物收到不可逆轉的傷害，當培育室內部溫度高于32℃時，培育室內部必須進行降溫處理，所以培育室內部與外部溫度在同時刻差值不大。

圖3 封閉系統實測數據

對培育室內濕度進行分析，由于培育室處于密封狀態，培育室內部與外部物質交換通到被阻斷，培育室內部空氣中水分將不會擴散到外部，導致培育室內部濕度要高于外部環境。因此，在圖3中，培育室內部環境濕度始終高于對應時刻培育室外部環境濕度。培育室內部環境濕度高主因是花盆內部水分受熱蒸發到培育室內部空間中。培育室內部的環境濕度如果始終處于較高狀態，會帶來以下兩個方面的影響：①環境濕度太高會導致本來培育室內難以散去的熱量進入到水中，將導致植物長期處于高溫、高濕環境中，不僅家具花盆中水分繼續蒸發，而且還導致植物葉片中蛋白質發生不可逆轉的的破壞[12]；②培育室內濕度過高時，也會使得大量的水蒸氣附著在培育室透明采光板的內側，影響植物進行正常的光合作用，減少植物存活時間，因此需要對培育室內部進行除濕處理，保證培育室內部植物正常生長。培育室外部濕度隨著太陽光照強度影響較大，光照強度越大，外部環境濕度越低，因此外部濕度在9:30時達到最大值77.3% RH，而在正午:13:20時達到最小值35% RH。在14:00之后隨著光照強度的降低，外部環境濕度逐步升高，培育室雖然處于除濕狀態，但由于培育室內部溫度較高，培育室內水份蒸發還是較為劇烈，導致培育室內部環境溫度要高于外部。由于制冷機不斷進行制冷除濕，培育室內部環境濕度呈逐步下降趨勢，在14:00之后由于太陽光照的減弱，培育室吸收的熱量減少，培育室內部水分蒸騰效果減弱，同時在制冷機工作下，培育室內部濕度沒有出現培育室外部呈現走高的趨勢，而是進一步降低。

對培育室內光照強度進行分析，光照強度結果除以1 000得到圖3數據，據此得培育室內外光照強度變化基本趨勢相同。在9:30時由于太陽光照強度較弱，內外的光照強度值基本一致，之后隨著太陽光照的加強，培育室外部的光照逐步變強，在10:00時為2.193×104Lx；在10:30時因受到烏云的遮擋，外界光照強度降為5×103Lx；培育室外部光照在不受云遮擋的條件下，自11:00時開始培育室外部光照強度最大能達到6.02×104Lx。相較于培育室外部光照強度，培育室內部光照強度很低，原因在于因培育室內部濕度過大，導致培育室采光板上附著大量的水珠，致使太陽光在透過透明板時散射嚴重，培育室內接收到的太陽光照強度很低。所以，在透明板上水分大量存在時光照強度較低，而當冷卻系統通過降低環境溫度，使透明板上水珠消散時，培育室內部光照強度足逐步升高，在11:00時達到2.946×104Lx，在11:30時達到3.33×104Lx，之后由于云的存在導致培育室內外光照強度都比較低。

綜上，本研究所提出的基于太陽能封閉系統能維持培育室內部溫度，現階段采用的制冷機能保障系統降溫除濕功能。

4 結論及討論

4.1 結論

1)廣州秋季的實測結果顯示：系統使用的冷卻系統能降低培育室內溫度、濕度，維持在適應于植物正常生長的區間，由太陽能電池板、蓄電池、電源控制器組成的光伏發電系統能夠維持系統正常工作所需的電能。

2)現階段系統采用的制冷機能夠維持培育室內溫濕度，主要維持在31～39℃區間，濕度維持在72%～85% RH之間。

3)在整個系統測試的7天內，培育室中放置的白掌長勢良好，葉片未出現發黑、枯黃現象。

4.2 討論

在實際測試試驗中系統雖已能維持植物基本生長需求的環境參數，但仍存在以下幾個問題：培育室透明亞克力板內側易附著水蒸氣，導致培育室內植物所獲取的太陽光照強度低；太陽能光伏發電系統發電量無法長時間維持冷卻系統降溫除濕，目前系統只在光照強烈時開啟降溫除濕；由于培育室封閉，培育室內溫度受太陽熱量影響劇烈，培育室內花盆極易發生蒸騰作用，導致培育室內濕度升高，引起培育室透明亞克力板內側出現大量水珠而影響光照。