精細控制智能化光伏大棚的設計

摘 要：溫室大棚技術發展迅速，但其存在電力供給短缺、工作效率較低、管理精細化程度弱等問題，嚴重制約了中國設施農業的發展水平。設計了一種精細控制智能化光伏大棚，將光伏發電技術與精細化控制技術融入農業生產中，基于環境要素和農作物生長規律，通過傳感技術，多維度精細化與智能化控制來協調和平衡參數，使光伏大棚中各參數都達到理想狀態，保障對農作物生長過程中外界條件的穩定調節，建立滿足農作物生長的最適宜環境，以此提高農作物的質量及產量。通過建立實物模型進行測試后發現，光伏發電系統能實現光伏大棚所需電能的正常供應，同時精細控制智能化系統可以實現農作物生長過程中重要參數數值的自動調節，且可以隨時隨地檢測和監控，具備一定的推廣價值。

關鍵詞：光伏大棚；精細控制；智能化；光伏發電；農作物生長；傳感技術

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

中國作為農業大國，農業生產在其經濟建設和社會發展中占有舉足輕重的地位。良好的天氣條件和生態環境是農業生產的保障，但有些地方的生態環境相對較差，制約了當地農業的發展。溫室大棚可以為農作物提供一個優良的生存環境，可以種植反季節農作物，且可以避免外界的溫差、冰雹、霜凍、干旱，以及極端天氣對農作物生長造成的影響，從而可大幅提高經濟效益。溫室大棚中的農作物種植仍要符合農作物栽培學原理和農作物生長規律，由于大棚特殊的環境條件，需要重視棚內的環境溫度、光照強度、水分、通風和氣體濃度等因素并進行調控。溫室大棚一般遠離市區或農村中心區域，大多位于偏遠的耕地區域，電力供應成本高或很難有電網電力供應，人工手動調控大棚內環境條件的準確率不高且效率較低，并且要求種植人員具備較高的種植和手動調控經驗，種植成本相對較大，由此極大限制了溫室種植業的發展。

新時代下，將現代農業和光伏發電技術進行更科學有效的結合，有利于促進清潔化農業的開發，能更大程度地促進中國現代化農業的進步，為農業增產、增收，農民脫貧致富提供了重要渠道[1]。基于此，本文設計了一種精細控制智能化光伏大棚，將光伏發電技術與精細化控制技術融入農業生產中，從而提高溫室大棚的生產技術水平和自動化管理能力。該精細控制智能化光伏大棚基于環境要素和農作物生長規律，采用傳感技術對光伏大棚中的環境溫度、土壤濕度、光照強度這3個最重要的參數進行多元協調和平衡，從而實現光伏大棚的可控、可調及數據可視化，且更易將這些參數調節至理想狀態，實時提供農作物生長所需的各種條件，建立滿足農作物生長最適宜的環境，提高農作物的質量及產量。

1" 建立常規溫室大棚內部的平衡方程

1.1" 溫室大棚內部的熱量平衡方程

根據熱力學平衡關系式，單位時間內熱量的總積累量應該等于溫室大棚內儲存熱量的變化率，其關系[2]可表示為：

式中：Qs為單位時間單位面積土壤與空氣的熱交換量，W/m2；Ql為單位時間單位面積補光燈的輻照量，W/m2；Qr為單位時間溫室大棚單位面積接收的太陽輻射量，W/m2；Qp為溫室大棚內采暖設備單位時間單位面積的供熱量，W/m2；Qe為單位時間單位面積農作物通過蒸騰作用損耗的熱量，W/m2；Qi為單位時間單位面積農作物通過呼吸作用釋放出的熱量，W/m2；Qt為單位時間單位面積農作物通過光合作用吸收的熱量，W/m2；Qv為由通風裝置造成的單位時間單位面積熱量損失，W/m2；Qg為通過溫室大棚覆蓋物及其圍護結構與外界交換造成的單位時間單位面積熱量損失，W/m2；Ti為空氣溫度，K；Af為溫室大棚的占地面積，m2；mg為溫室大棚內空氣的質量，kg；Cp為溫室大棚內空氣的定壓比熱容，kJ/（kg·K）；t為時間，s。

熱輻射交換損失的能量包括從溫室大棚覆蓋物到溫室大棚外面的熱輻射損失Ro、從溫室大棚內的空氣到溫室大棚覆蓋物的熱輻射損失Ri兩個部分[3]，計算式分別為：

式中：σ為玻爾茲曼常數；Tc為溫室大棚表面覆蓋物的溫度，K；Tsky為溫室大棚外的天空輻射溫度，K；εc為溫室大棚表面覆蓋物到大棚外面的熱輻射系數，其取值范圍為0.70～0.95；ε′為溫室大棚內空氣到溫室大棚表面覆蓋物的熱輻射系數，其計算式為：

式中：Ac為溫室大棚表面覆蓋物的面積，m2。

單位時間單位面積農作物通過蒸騰作用損耗的熱量的計算式[2]為：

式中：λ為農作物的需水系數，根據不同農作物來確定取值；Ei為農作物的蒸騰作用速率，kg/（m2·s），通常情況下，其隨著環境空氣的濕度、溫度及太陽輻照度而變化，其計算式為：

式中：Rn為溫室大棚內部接收的太陽輻照度，W/m2；ht為溫室大棚內農作物同溫室大棚內空氣之間的熱量轉移常數；es25為溫室大棚內環境溫度為25 ℃時內部空氣中的飽和水蒸氣壓力，Pa；B為溫室大棚外界的大氣壓力，Pa，通常取1.01325×105；γ為在溫室大棚內空氣相對濕度為某個固定值時，水蒸氣壓力隨溫度變化的斜率，通常為常數；β2為環境溫度變化對飽和水蒸氣壓力的影響綜合系數；wi為溫室大棚內水和空氣的比率。

1.2" 溫室大棚內部的物質平衡方程

依據能量平衡和物質平衡原理，溫室大棚內部的物質平衡方程[4]的計算式為：

式中：Esh為溫室大棚內空氣中減少或增加的水分質量速率，kg/（m2·s）；Ev為由于開啟通風設備及空氣滲透所損失的水分質量速率，kg/（m2·s）；Ec為空氣中的水蒸氣在溫室的覆蓋物和圍護結構上凝結的質量速率，kg/（m2·s）；ρ為溫室大棚內空氣的密度，kg/m3；h為溫室大棚的平均凈高度，m。

2" 光伏大棚的精細控制智能化系統的設計方案

2.1" 光伏大棚內部的精細控制智能化系統

根據溫室大棚內部的平衡方程，設計光伏大棚的精細控制智能化系統。該精細控制智能化系統包括精細智能控制、繼電控制、電機驅動控制、供電控制4個主要控制部分，以STM32單片機作為核心控制部件[5]，繼電器作為輔助控制部件。STM32單片機分別控制溫室溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照強度傳感器、紅外傳感器、CO2氣體濃度傳感器、藍牙傳輸模塊、有機發光二極管（OLED）顯示屏和蜂鳴警報器等部件，從多維度（包括環境溫度、土壤濕度、光照強度、CO2氣體濃度）進行精細協調和平衡控制，從而實現對光伏大棚的可視、可控及可調的多元輸出，并且能更好地實現自動化與精細化控制。該精細控制智能化系統的設計流程圖如圖1所示。

精細控制智能化系統采用計算機技術與自動控制理論，將自動化技術、檢測與傳感技術、通信與網絡技術緊密結合。該精細控制智能化系統的運行原理為：對采集到的數據進行加工處理，并通過串行端口傳輸給STM32單片機，通過STM32單片機實現對光伏大棚的實時監測。STM32單片機的引腳連接溫室溫度傳感器、土壤濕度傳感器、CO2氣體濃度傳感器、光照強度傳感器和繼電器，OLED顯示屏連接在STM32單片機外部用來顯示采集到的數據。通過不同的傳感器和STM32單片機運算，采集光伏大棚內的環境溫度、土壤濕度、CO2氣體濃度、光照強度的所有數據并進行加工處理，再將數據傳回STM32單片機進行閾值比較。當各類傳感器采集到的數據超過設定的閾值時，蜂鳴報警器會發出警報，同時會啟動繼電器動作，通過數字信號處理模擬控制各類物理參數的數值，使光伏大棚內的環境溫度、土壤濕度、CO2氣體濃度、光照強度調節至農作物生長發育所需的適宜條件。

針對光伏大棚內農作物生長需要的各生長要素，該精細控制智能化系統通過STM32單片機對各環節進行調節控制，例如：補充農作物生長對應光譜波段的紅外光或紫外光；進行局部區域滴灌；增加光伏大棚內大面積土壤的濕度；打開風扇調節CO2氣體濃度或空氣濕度；通過開啟加熱器或通風扇，加熱或降低光伏大棚內的環境溫度。同時，精細控制智能化系統由小型獨立的離網型光伏發電系統供電，使整套精細控制智能化系統不受電網影響，為其穩定運行提供了保證。基于以上設計，采用MCGS組態軟件[6]設計出光伏大棚的精細控制智能化系統的仿真動畫，該仿真動畫界面如圖2所示。

2.2" 光伏發電系統設計方案

光伏大棚采用小型獨立的離網型光伏發電系統，通過串聯和并聯的方式將多塊光伏組件組成光伏陣列，通過光伏控制器對蓄電池組進行充放電控制，然后供系統直流負載使用；經過逆變器輸出220 V交流電，供系統交流負載使用。光伏發電系統的發電流程示意圖如圖3所示。

該光伏發電系統以負載每日所需的平均用電量（即負載的日平均耗電量，通常用Ah或Wh表示）為基本數據，根據當地的峰值日照小時數、日太陽輻射量、年太陽總輻射量等，計算所需光伏組件的輸出功率，然后根據計算結果定制相應尺寸及參數的光伏組件。下文對設計時的相關計算[7]進行詳細介紹。

1）確定光伏組件串聯數。為使蓄電池組達到最佳的充電狀態，光伏組件的串聯電壓要等于蓄電池組的浮充電壓。光伏組件串聯數NS的計算式為：

式中：UR為光伏陣列的最小輸出電壓，V；UDC為光伏組件的最佳工作電壓，V；Uf為蓄電池組的浮充電壓，V，其應等于最低環境溫度下總的蓄電池串聯最大工作電壓；UD為二極管壓降，V，一般取0.7；UC為其他因數引起的電壓壓降，V。

2）確定負載的日平均耗電量。由農作物全生育期需水量來確定供水罐和水泵等負載的耗電量。單個光伏大棚的農作物全生育期需水量Wxp的計算式[8]為：

式中：Bt為光伏大棚內種植農作物的田地的寬度，m；L為光伏大棚內種植農作物的田地的長度，m；Hn為農作物的日耗水量，m3；Tn為農作物的全生育期，天。

負載的日平均耗電量QL的計算式為：

式中：PO為負載功率，W；U為光伏發電系統的系統電壓，V；T為負載每日的工作時間，h。

供水罐為負載的一部分，因此還需要確定所采用的供水罐的尺寸。供水罐儲水量V的計算式為：

式中：R為供水罐的底面半徑，m；hg為供水罐的高度，m。

3）確定光伏組件的日發電量。單塊光伏組件日發電量Qpv的計算式為：

式中：CZ為光伏發電的修正系數，主要考慮充電效率、老化及陰影遮擋等損失，一般取0.8；KOP為傾斜面修正系數，與當地緯度和太陽輻射情況有關；IOC為光伏組件的最佳工作電流，A；H為日平均日照小時數，h。

日平均日照小時數與日太陽輻射量Ht之間的換算關系為：

4）確定蓄電池組的容量。蓄電池組容量C的計算式為：

式中：D為連續陰雨天數，天；K為安全系數，一般取1.1～1.4。

5）確定光伏組件的并聯數。光伏組件并聯數NP的計算式為：

式中：NW為兩組最長陰雨天之間的最短間隔天數，天，一般取30。

6）確定光伏陣列的輸出功率。光伏陣列輸出功率P的計算式為：

2.3" 制作精細控制智能化光伏大棚實物模型

根據前文設計及設備選型，制作了1個尺寸（長×寬×高）為1.5 m×1 m×0.8 m的精細控制智能化光伏大棚實物模型，其正視圖和背視圖如圖4所示。

該實物模型的精細控制智能化系統采用型號為STM32F13C8T6的單片機，其是一款基于Cortex-M3內核的32位微處理器，具有封裝體積小、價格較低、性能優越、性價比較高的特點，可為精細控制智能化系統提供強大支撐[8]。

基于多角度設計考慮，為確保光伏大棚內農作物生長條件的精細調節，該實物模型采用的傳感器類型分別為：DHT11型溫濕度二合一傳感器，具有校準數字信號輸出的功能，通過傳感技術將溫度、濕度物理量數值轉化為數字量信號，確保在光伏大棚運行過程中信息的精確采集和穩定輸出；JW01型CO2氣體濃度傳感器，是一種氣敏傳感器，用于對空氣中的CO2氣體進行檢測，對氧氣無依賴且具有很好的選擇性；S12SD型光照強度傳感器，其對太陽光具有良好的光譜響應，且結果輸出一致性強。

該實物模型中，供水罐的底面直徑為1.0 m、高度為1.3 m，其儲水量約為1.18 m3，可滿足單個光伏大棚中農作物1天的需水量。供水罐的抽水選擇直流隔膜水泵，其壓水揚程為32 m，吸水揚程為7.9 m，額定工作流量為3.6 L/min；與直流隔膜水泵相匹配的電機的直流工作電壓為12 V，轉速為1350 r/min，額定功率為12 W；直流隔膜水泵每日工作時間按5 h計算。

為保證連續3天陰雨天情況下精細控制智能化系統能正常工作，光伏發電系統選用由36片太陽電池串聯形成的單晶硅光伏組件（即36片型光伏組件），單塊光伏組件的輸出功率為37.7 W。光伏發電系統的一部分發電量用于給12V/20Ah的蓄電池組充電，然后由蓄電池組給精細控制智能化系統供電；另一部分發電量直接為直流隔膜水泵供電。

按照草莓大棚的要求設定該光伏大棚實物模型的環境溫度、土壤濕度、光照強度，經過多次測試后得出以下結論：光伏發電系統能正常提供光伏大棚實物模型所需電能，精細控制智能化系統可以實現草莓生長過程中外界條件重要參數數值的自動調節，且超出參數范圍的調節有效率在90%以上，基本滿足了光伏大棚精細控制的調節要求，較好的實現了精細控制在光伏大棚中的應用。

3" 結論

本文設計了一種精細控制智能化光伏大棚，將光伏發電技術與精細化控制技術融入農業生產中，基于環境要素和農作物生長規律，通過傳感技術，多維度精細化與智能化控制來協調和平衡參數，使各參數都達到理想狀態，從而保障對農作物生長過程中外界條件的穩定調節，建立滿足農作物生長的最適宜環境，以此提高農作物的質量及產量。通過建立實物模型進行測試后發現，光伏發電系統能實現光伏大棚所需電能的正常供應，同時智能化精細控制系統可以實現農作物生長過程中重要參數的自動調節，由于其全自動化且可以隨時隨地檢測和監控，具備一定的推廣價值。

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DESIGN OF FINE CONTROL AND INTELLIGENT PV GREENHOUSE

Zhang Luxin，Yan Jialong，He Qiuxi，Zheng Haowen，Zhao Hengli

（School of Physics and Electronic Science，Chuxiong Normal University，Chuxiong 675000，China）

Abstract：The technology of greenhouses are developing rapidly，but they face problems such as shortage of electricity supply，low work efficiency，and weak level of refinement in management，which seriously restrict the development level of facility agriculture in China. This paper designs a fine control and intelligent PV greenhouse，integrating PV power generation technology and fine control technology into agricultural production. Based on environmental factors and the crop growth patterns，sensing technology，multi-dimensional fine and intelligent control are used to coordinate and balance parameters，ensuring that all parameters in the PV greenhouse reach the ideal state，ensuring stable adjustment of external conditions during crop growth， establishing the most suitable environment for crop growth，thereby improving the quality and yield of crops. After establishing a physical model for testing，it is found that PV power generation system can achieve the normal supply of electricity required for PV greenhouses. At the same time，the fine control and intelligent system can achieve automatic adjustment of important parameter values during crop growth，and can be detection and monitoring anytime and anywhere，which has certain promotion value.

Keywords：PV greenhouse；fine control；intelligence；PV power generation；crop growth；sensing technology