太陽能光伏植物生長(zhǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

胡俊生，蘇穎欣，辜 松，劉厚誠，夏紅梅，楊 意，楊艷麗

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工程學(xué)院;b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.園藝學(xué)院, 廣州 510642； 2.廣州實(shí)凱機(jī)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(jīng)不再滿足于物質(zhì)基本需求，精神需求也日益強(qiáng)烈，尤其對(duì)工作在沙漠、船舶等資源相對(duì)緊張區(qū)域的人。由于這些地域環(huán)境比較惡劣，并不適合植物正常生長(zhǎng)，當(dāng)前解決植物生長(zhǎng)與環(huán)境不符合問題的常用手段是修建溫室，溫室因其內(nèi)部環(huán)境參數(shù)可調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)可在作物無法正常生長(zhǎng)的環(huán)境中維持植物正常生長(zhǎng)，因此在園藝生產(chǎn)中廣泛采用[1]?，F(xiàn)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(nèi)環(huán)境參數(shù)無法均衡和穩(wěn)定控制等[2-3]問題；封閉式系統(tǒng)雖解決了半封閉式溫室存在的問題，但現(xiàn)行封閉溫室受控對(duì)象多、控制精度高，所以對(duì)能量需求量高，不適用于能量緊張地區(qū)。此外，常規(guī)溫室所需能源都是實(shí)時(shí)供給，缺乏自持能力。鑒于國內(nèi)對(duì)無動(dòng)力源且具自持能力的微小型植物生長(zhǎng)系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道，本研究提出一種由太陽能光伏供電的結(jié)構(gòu)尺寸小、有階段性自持能力的植物生長(zhǎng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)植物在無動(dòng)力源條件時(shí)能在該系統(tǒng)中穩(wěn)定、正常生長(zhǎng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)定位

據(jù)調(diào)研與實(shí)際工況分析，該系統(tǒng)應(yīng)滿足以下需求：①系統(tǒng)能全天候工作，且要在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)保證系統(tǒng)培育室內(nèi)環(huán)境參數(shù)適合植物正常生長(zhǎng)；②能適應(yīng)在無外界電力供應(yīng)區(qū)域工作；③具備一定智能化，能夠根據(jù)不同植物生長(zhǎng)需求，設(shè)定適合各自需要的環(huán)境參數(shù)。

1.2 總體設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電在現(xiàn)今溫室領(lǐng)域應(yīng)用已十分廣泛[4-7]，本研究提出的太陽能光伏植物生長(zhǎng)系統(tǒng)，由光伏發(fā)電系統(tǒng)、培育室、冷卻系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)等4部分組成，如圖1所示。在該系統(tǒng)中，除使用太陽能光伏發(fā)電作為系統(tǒng)工作需要的電能，不再使用外接動(dòng)力源。培育室是保障植物正常生長(zhǎng)的區(qū)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(gè)面均為不透明塑料板。為有效控制培育室內(nèi)環(huán)境條件，防止外界環(huán)境對(duì)其干擾，培育室采用密封處理；但考慮高溫條件下培育室內(nèi)部空氣受熱膨脹，為防止培育處于高溫情況下，內(nèi)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(shí)卸壓作用。在培育室內(nèi)布置有溫濕度傳感器、光照傳感器，以及冷卻系統(tǒng)的制冷風(fēng)扇、冷卻銅管和裝載冷卻水的水箱。冷卻系統(tǒng)是植物生長(zhǎng)系統(tǒng)的核心部件，由制冷機(jī)、制冷風(fēng)扇、冷卻銅管和循環(huán)水泵組成，目的是降低培育室內(nèi)溫濕度，維持培育室內(nèi)環(huán)境達(dá)到設(shè)定要求。冷卻系統(tǒng)由環(huán)控系統(tǒng)控制，工作時(shí)由循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)冷卻水在冷卻回路中運(yùn)動(dòng)，被制冷機(jī)制冷后的冷卻水通過冷卻銅管吸收培育室內(nèi)熱量，再由制冷風(fēng)扇將冷卻銅管周邊的冷空氣吹散到整個(gè)培育室，以加速培育室內(nèi)溫度降低，減少冷卻系統(tǒng)工作時(shí)間，降低系統(tǒng)能耗。環(huán)控系統(tǒng)基于STC89C51單片機(jī)構(gòu)建而成，其作用是通過布置在培育室內(nèi)的各種傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)培育室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，將獲得的參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較得出的結(jié)果驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)動(dòng)作。植物生長(zhǎng)所需的水根據(jù)相應(yīng)植物日需求量，結(jié)合植物設(shè)計(jì)存活壽命，一次性裝入培育室內(nèi)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(jī) 5.環(huán)控系統(tǒng)

2 光伏動(dòng)力與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光伏動(dòng)力設(shè)計(jì)

在本研究提出的太陽能光伏系統(tǒng)中，太陽能光伏電池是系統(tǒng)唯一電源。光伏動(dòng)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(zhǎng)沙光合太陽能有限公司生產(chǎn)的單晶太陽能電池板，其參數(shù)規(guī)格如表1所示。為使光伏發(fā)電系統(tǒng)處于系統(tǒng)最優(yōu)條件下，蓄電池也采用與太陽能電池板同一廠家生產(chǎn)的硅能蓄電池，額定電壓為12V，標(biāo)稱容量100AH。

電源控制器用于太陽能對(duì)外放電和對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)，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(qiáng)度在一天之內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多次的波動(dòng)，會(huì)引起蓄電池充電電網(wǎng)不穩(wěn)定，縮短蓄電池的壽命。太陽能自動(dòng)充放電開關(guān)可以使蓄電池的充電壓穩(wěn)定保持在14.5V，而且蓄電池對(duì)外供電也是通過該開關(guān)，因此太陽能自動(dòng)充放電開關(guān)需具有防蓄電池出現(xiàn)過充和過放功能。由于環(huán)控系統(tǒng)中單片機(jī)控制單元功耗較小，為防止制冷機(jī)啟動(dòng)造成系統(tǒng)電網(wǎng)波動(dòng)影響環(huán)控系統(tǒng)穩(wěn)定工作，系統(tǒng)采用德州儀器生產(chǎn)的LM2596S穩(wěn)壓模塊給環(huán)控系統(tǒng)供電，保障環(huán)控系統(tǒng)用電穩(wěn)定，LM2596S模塊輸入電壓為0～37V，輸出電壓為5V，能給環(huán)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的供電電壓。

表1太陽能電池板參數(shù)表

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

培育室是保障植物生長(zhǎng)健康生長(zhǎng)的核心，因此要保證培育室內(nèi)環(huán)境要符合植物的生長(zhǎng)模型[8]，就必須使用智能化的環(huán)控系統(tǒng)[9-11]。環(huán)控系統(tǒng)的控制核心是STC89C51單片機(jī)，使用相關(guān)傳感器采集培育室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和控制相關(guān)執(zhí)行器對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于需要檢測(cè)參數(shù)有溫度、濕度及植物接收到的光照強(qiáng)度等環(huán)境參數(shù)，所以在培育室內(nèi)設(shè)置有用于檢測(cè)溫濕度的溫濕度傳感器AM2305，檢測(cè)光照強(qiáng)度的傳感器BH1750。

對(duì)溫濕度采集采用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的溫濕度傳感器AM2305，測(cè)量范圍為：溫度，-40～80℃；濕度，0～99.9%RH；測(cè)溫精度是±0.3℃，測(cè)濕精度達(dá)0.1%RH。對(duì)光照強(qiáng)度的測(cè)量采用廣州龍戈電子科技有限公司生產(chǎn)的光照傳感器模塊BH1750，由于該模塊的內(nèi)置AD芯片是16位的，因此其測(cè)量范圍為0～65 535Lx。系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)由制冷機(jī)、冷卻銅管、制冷風(fēng)扇和循環(huán)水泵4個(gè)部分組成，制冷機(jī)使用的是XD-2068型半導(dǎo)體制冷機(jī)，功率為120W，可對(duì)培育室內(nèi)溫度進(jìn)行有效的抑制，維持植物正常培育室間。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求是對(duì)培育室內(nèi)環(huán)境參數(shù)全天候?qū)崟r(shí)檢測(cè)，只要發(fā)現(xiàn)培育室內(nèi)環(huán)境參數(shù)與設(shè)定值不符合，系統(tǒng)立刻驅(qū)動(dòng)冷卻系統(tǒng)工作，對(duì)培育室進(jìn)行降溫和除濕，使之符合設(shè)定值，維持植物健康生長(zhǎng)。同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)每天在7:00和18:00兩個(gè)時(shí)刻向培育室內(nèi)植物提供水，封閉系統(tǒng)控制原理如圖2所示。

圖2 封閉系統(tǒng)控制原理

3 系統(tǒng)的測(cè)試與結(jié)果分析

為考察系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用效果，在系統(tǒng)培育室內(nèi)放置由盆栽白掌作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在廣州秋季進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測(cè)試7天，得出系統(tǒng)培育室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律，在完成培育室密封性測(cè)試后，對(duì)工作時(shí)間在9:30-15:00時(shí)間段內(nèi)培育室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)經(jīng)整理的結(jié)果如圖3所示。

結(jié)合圖3中數(shù)據(jù)可知，培育室內(nèi)部的溫度要高于外部溫度，但二者變化趨勢(shì)基本相同。在上午9:30時(shí)，由于太陽光照強(qiáng)度較弱，封閉系統(tǒng)培育室獲取的熱量少，培育室內(nèi)部和外部溫度基本一致；隨著太陽光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，且由于培育室處于密封狀態(tài)，培育室內(nèi)部環(huán)境與外部物質(zhì)和能量交換的直接通道被隔絕，故培育室內(nèi)熱量不易散失，自10:00開始培育室內(nèi)部溫度增速要高于外部溫度增速，在13:00培育室內(nèi)部溫度到達(dá)最大值為39.7℃，而與之對(duì)應(yīng)的外部環(huán)境溫度只在12:40到達(dá)最大值為36.8℃。因培育室內(nèi)存放有植物，為防止溫度過高導(dǎo)致植物收到不可逆轉(zhuǎn)的傷害，當(dāng)培育室內(nèi)部溫度高于32℃時(shí)，培育室內(nèi)部必須進(jìn)行降溫處理，所以培育室內(nèi)部與外部溫度在同時(shí)刻差值不大。

圖3 封閉系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)培育室內(nèi)濕度進(jìn)行分析，由于培育室處于密封狀態(tài)，培育室內(nèi)部與外部物質(zhì)交換通到被阻斷，培育室內(nèi)部空氣中水分將不會(huì)擴(kuò)散到外部，導(dǎo)致培育室內(nèi)部濕度要高于外部環(huán)境。因此，在圖3中，培育室內(nèi)部環(huán)境濕度始終高于對(duì)應(yīng)時(shí)刻培育室外部環(huán)境濕度。培育室內(nèi)部環(huán)境濕度高主因是花盆內(nèi)部水分受熱蒸發(fā)到培育室內(nèi)部空間中。培育室內(nèi)部的環(huán)境濕度如果始終處于較高狀態(tài)，會(huì)帶來以下兩個(gè)方面的影響：①環(huán)境濕度太高會(huì)導(dǎo)致本來培育室內(nèi)難以散去的熱量進(jìn)入到水中，將導(dǎo)致植物長(zhǎng)期處于高溫、高濕環(huán)境中，不僅家具花盆中水分繼續(xù)蒸發(fā)，而且還導(dǎo)致植物葉片中蛋白質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的的破壞[12]；②培育室內(nèi)濕度過高時(shí)，也會(huì)使得大量的水蒸氣附著在培育室透明采光板的內(nèi)側(cè)，影響植物進(jìn)行正常的光合作用，減少植物存活時(shí)間，因此需要對(duì)培育室內(nèi)部進(jìn)行除濕處理，保證培育室內(nèi)部植物正常生長(zhǎng)。培育室外部濕度隨著太陽光照強(qiáng)度影響較大，光照強(qiáng)度越大，外部環(huán)境濕度越低，因此外部濕度在9:30時(shí)達(dá)到最大值77.3% RH，而在正午:13:20時(shí)達(dá)到最小值35% RH。在14:00之后隨著光照強(qiáng)度的降低，外部環(huán)境濕度逐步升高，培育室雖然處于除濕狀態(tài)，但由于培育室內(nèi)部溫度較高，培育室內(nèi)水份蒸發(fā)還是較為劇烈，導(dǎo)致培育室內(nèi)部環(huán)境溫度要高于外部。由于制冷機(jī)不斷進(jìn)行制冷除濕，培育室內(nèi)部環(huán)境濕度呈逐步下降趨勢(shì)，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(nèi)部水分蒸騰效果減弱，同時(shí)在制冷機(jī)工作下，培育室內(nèi)部濕度沒有出現(xiàn)培育室外部呈現(xiàn)走高的趨勢(shì)，而是進(jìn)一步降低。

對(duì)培育室內(nèi)光照強(qiáng)度進(jìn)行分析，光照強(qiáng)度結(jié)果除以1 000得到圖3數(shù)據(jù)，據(jù)此得培育室內(nèi)外光照強(qiáng)度變化基本趨勢(shì)相同。在9:30時(shí)由于太陽光照強(qiáng)度較弱，內(nèi)外的光照強(qiáng)度值基本一致，之后隨著太陽光照的加強(qiáng)，培育室外部的光照逐步變強(qiáng)，在10:00時(shí)為2.193×104Lx；在10:30時(shí)因受到烏云的遮擋，外界光照強(qiáng)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(shí)開始培育室外部光照強(qiáng)度最大能達(dá)到6.02×104Lx。相較于培育室外部光照強(qiáng)度，培育室內(nèi)部光照強(qiáng)度很低，原因在于因培育室內(nèi)部濕度過大，導(dǎo)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(shí)散射嚴(yán)重，培育室內(nèi)接收到的太陽光照強(qiáng)度很低。所以，在透明板上水分大量存在時(shí)光照強(qiáng)度較低，而當(dāng)冷卻系統(tǒng)通過降低環(huán)境溫度，使透明板上水珠消散時(shí)，培育室內(nèi)部光照強(qiáng)度足逐步升高，在11:00時(shí)達(dá)到2.946×104Lx，在11:30時(shí)達(dá)到3.33×104Lx，之后由于云的存在導(dǎo)致培育室內(nèi)外光照強(qiáng)度都比較低。

綜上，本研究所提出的基于太陽能封閉系統(tǒng)能維持培育室內(nèi)部溫度，現(xiàn)階段采用的制冷機(jī)能保障系統(tǒng)降溫除濕功能。

4 結(jié)論及討論

4.1 結(jié)論

1)廣州秋季的實(shí)測(cè)結(jié)果顯示：系統(tǒng)使用的冷卻系統(tǒng)能降低培育室內(nèi)溫度、濕度，維持在適應(yīng)于植物正常生長(zhǎng)的區(qū)間，由太陽能電池板、蓄電池、電源控制器組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠維持系統(tǒng)正常工作所需的電能。

2)現(xiàn)階段系統(tǒng)采用的制冷機(jī)能夠維持培育室內(nèi)溫濕度，主要維持在31～39℃區(qū)間，濕度維持在72%～85% RH之間。

3)在整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試的7天內(nèi)，培育室中放置的白掌長(zhǎng)勢(shì)良好，葉片未出現(xiàn)發(fā)黑、枯黃現(xiàn)象。

4.2 討論

在實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)中系統(tǒng)雖已能維持植物基本生長(zhǎng)需求的環(huán)境參數(shù)，但仍存在以下幾個(gè)問題：培育室透明亞克力板內(nèi)側(cè)易附著水蒸氣，導(dǎo)致培育室內(nèi)植物所獲取的太陽光照強(qiáng)度低；太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量無法長(zhǎng)時(shí)間維持冷卻系統(tǒng)降溫除濕，目前系統(tǒng)只在光照強(qiáng)烈時(shí)開啟降溫除濕；由于培育室封閉，培育室內(nèi)溫度受太陽熱量影響劇烈，培育室內(nèi)花盆極易發(fā)生蒸騰作用，導(dǎo)致培育室內(nèi)濕度升高，引起培育室透明亞克力板內(nèi)側(cè)出現(xiàn)大量水珠而影響光照。