基于光電轉換技術的太陽能除草機研究

彭曉雷

(廈門理工學院,福建 廈門 361022)

0 引言

種植過程中,土地上的雜草會與農作物競爭陽光、肥料等資源,影響農作物的生長。另外,雜草還是各類害蟲的棲息地,嚴重影響農作物的產量[1]。目前,除草的方法主要包括機械法、化學方法、生物法和人力法等方式[2]:生物除草方式由于環境的局限性使用較少;化學方法對環境污染較大,且容易使雜草產生抗藥性,不建議使用;人力方法除草效果較好,但工作效率過低;機械法適用范圍較廣,環境污染少,除草效果良好,且效率高,使用最為廣泛。

目前,國內外對除草機的研究較多,包括除草過程中對農田中雜草的識別、除草機的除草路徑控制規劃和導航等技術[3],但對于除草機的能量供應則研究較少。大部分的除草機需要與電源連接,由電源實時提供電量,導致除草機的工作范圍受限,僅僅能夠在有能量供應的區域使用或者在電線可到達范圍內使用;或者通過蓄電池提供能量,但這種方式下除草機不能夠長時間連續使用。太陽能除草機是利用太陽能作為動力源,不需要電源實時供電,還可以儲存電量,在雨天或者晚上輸出電量繼續進行作業,實現長時間的除草作業。

光電轉換技術是利用半導體的光伏效應,將光能轉換為電能的技術。這種技術以光電池作為電源和光電轉換器,具有轉換效率高、性能穩定、無污染的特點。因此可以將其應用于太陽能除草機的研制。

1 硬件設計

1.1 技術路線

該除草機的主要組成包括光電轉換模塊、視覺模塊、控制模塊、行走系統和除草系統,其主要流程如圖1所示。

圖1 除草機主要流程圖

1.2 光電轉換模塊

該系統的光電轉換模塊組成主要由光電轉換器、傳感器、升壓穩壓電路和透鏡耦合組成。其中,透鏡耦合是將太陽能利用透鏡的發散作用照射到光電轉換器表面;光電轉換器的作用是將太陽能轉換成電能,可以作為光電池使用,需要具有高轉換效率、壽命長和性能穩定等特點。光能經光電轉換器作用后釋放的電壓較小,且隨光照強度的變化電壓也在變化,不能為除草機提供持續穩定的電流,因此需要升壓穩壓電路將電壓轉換成穩定電壓進行輸出,多余的電量儲存在電池中用于后續的晚上或者陰天無陽光情況下使用。

1.3 視覺模塊

視覺模塊用于獲取圖像、確定雜草位置、定位等,為后續的除草工序做準備,主要流程為攝像機采集、圖像預處理及雜草特征提取。其中,攝像機用于采集數字圖像,并將圖像傳遞給圖像處理軟件進行預處理;雜草特征提取主要提取包括雜草的顏色、紋理和形狀特征等,并將這些特征傳遞給系統軟件,通過分析確定雜草及其位置,將結果傳遞給控制中心,以便以除草系統工作。

1.4 控制模塊

控制模塊是除草機的核心控制模塊,通過接受視覺模塊提供的雜草信息和環境信息,對信息進行處理,自動調整除草機的工作參數;當工作狀態改變時,自動改變運動參數以適應工作狀態。

1.5 行走系統

行走系統主要包括步進電機、傳動系統和車輪。為實現移動功能,除草機選擇移動小車的結構。移動小車有輪式、履帶式等運動方式[4],綜合比較這幾種運動方式,并結合除草機的工作效率、承載能力和結構簡單的要求,采用四輪式除草機,其結構如圖2所示。通過在小車的3和4驅動輪上各安裝1個步進電機實現小車的行進,利用輪子的速度差實現小車的轉向。

圖2 四輪式除草機結構示意圖

1.6 除草系統和輔助功能

除草系統是除草機的執行機構主要包括電機、傳動系統和除草刀具。除草系統由電機帶動傳動系統運動,進而控制除草刀具做旋轉運動。通過分析除草機的功能可知,其需要實現對植物行間和株間雜草的清除。為此,首先需要確定除草劑的刀具類型,通過比較各類刀具模型及該除草機的功能要求,選擇圓盤式除草刀具,除草原理如圖3所示。進行除草作業時,刀具旋轉進入土地中,不僅可以通過旋轉方式去除行間和株間的雜草,還可以進行土地的翻種,達到松土的目的,有效改善了植物的生長環境[5]。

圖3 圓盤式除草刀具除草示意圖

輔助功能主要包括顯示器等硬件,用于顯示除草機在工作過程中的各項參數及對除草機的運動控制。

2 光電池設計原理

在理想狀態下,當處于光照條件恒定的環境時,光電池可以等效于一個理想電流和二極管并聯,并與負載電阻R串聯。但是在實際情況下,由于光電池本身有電阻率、電線導體自身的電阻及擴散時的薄膜電阻的存在,需要在光電池線路上串聯1個電阻Rm;同時,由于電極的金屬化處理處理時,在晶界、晶粒缺陷和微觀裂紋處會有電流產生,導致漏電流[6],因此還需要在光電池上并聯一個電阻Rp。由此得到實際光電池的等效電路如圖4所示。

圖4 實際光電池等效電路圖

由圖4可知光電流I為

I=S·ρ

其中,S為光電池的有效受光面積,ρ為經過電阻R的光電流密度。

經過并聯電阻Rp的電流Ip為

其中,V為負載R兩端的電壓。當有光線照射到光電池時,光電池內部有1個PN結,PN結兩端產生電動勢,該電動勢產生的光生電流Iph,同時還有經過二極管的正向電流ID。此時,負載R的電流I為

I=Iph-ID-Im

通過對以上二式進行變換得到

其中,Vq為光電流的二極管的外加電壓。

同時,有下面的關系存在,即

Vq=V+IRp

當光電池處于正向偏置[7]時,也就是在等效電路中,光電池的電壓V等于負載的電流I和電阻R的乘積,經過二極管的電流ID可簡化為指數形式,即

其中,I0和A分別為光電池PN結的電流因子和結構因子。

當光電池處于理想狀態時,光電池串聯電阻Rp趨于0,并聯電阻Rm趨于無窮大,此時經過二極管的電流和光生電流Iph方向相反[8]。此時,在光照條件下負載R的電流I為

當負載R=0時,光電池斷路電流和光生電流相等,且與光照強度呈正比。當負載R趨于無窮大,此時經過負載R的電流趨于0,開路電壓Vc為

在有光照和無光照條件下,光電池的電流和電壓關系如圖5所示。其中,曲線a為有光照條件,b為無光照條件。

圖5 光電池電流和電壓關系圖

在光電池設計制造時,需要同時考慮光電池的材料、結構和制作工藝,保證光電池的使用壽命、電池輸出功率和光電轉化效率。在使用過程中,需要在安全范圍內有較高的光照強度及光照頻率等。當光電池安裝在除草機上時,應使其具有較強的適用性;在除草過程的路線規劃時,盡量避免陰影的遮擋,保證為除草機提供足夠的電量,使其能夠長時間穩定作業。

3 試驗結果

為驗證太陽能除草機的性能,需要對其進行試驗驗證。由于該除草機的光電轉換模塊為除草機提供持續的電量,除草系統執行除草功能,這兩個功能為除草機的核心功能,因此主要對光電轉換模塊和除草系統進行試驗驗證。

3.1 光電轉換模塊驗證

將該光電轉換模塊置于室外連續3天進行24h試驗驗證,測量其不同時間的輸出電壓和電流,并繪制曲線,以驗證該光電轉換模塊是否能夠持續不斷地提供恒定的電壓,如圖6所示。

圖6 光電轉換模塊的輸出電壓和電流結果

由圖6可知:該光電轉換模塊的輸出電流、輸出電壓比較穩定;在白天,隨著光照強度的增加,蓄電池的電量由供需平衡轉變為充電模式,直到電量充滿;隨著光照強度由白天至夜晚逐漸降低,光電轉換提供的電量不足以供應除草機的作業。此時,由蓄電池將儲存的電量輸出,雖然輸出電流有所降低,但仍可以為除草機提供作業所需電量。

3.2 除草試驗驗證

在光電轉換模塊安裝在除草機上以后,將其在50m×50m土地進行除草試驗。將土地區域劃分為5行,行之間為過道,除草機即在中間過道行駛,驗證其是否能夠將行間和株間的雜草清除干凈。試驗結果如表1所示。

表1 農田除草試驗結果

由表1可知:除草機基本可以將田間和農田內部區域的雜草清理干凈,但對于株間較接近農作物的雜草會有遺漏。這主要是由于在進行雜草清除時需要避開農作物區域,因而造成農作物附近的雜草容易被遺漏。

4 結論

1)針對太陽能除草機進行了研究,并基于光電轉換技術進行了設計,主要組成包括光電轉換模塊、視覺模塊、控制模塊、行走系統和除草系統。

2)除草機的能量供給通過光電轉換模塊提供,從而保證除草機的長時間作業。

3)試驗結果表明:除草機可以獲得持續穩定的電流和電壓,以實現行間和株間的雜草清除。