一种基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法及其装
置
技术领域
[0001] 本
发明涉及
光伏发电温室的设计方法和调控领域，尤其是涉及一种光伏温室太阳能分配方法。
背景技术
[0002] 目前，全球经济发展导致的诸多环保问题已成为世界关注的焦点，同时作为最重要
能源物质的
煤炭、石油、
天然气等可利用化石能源终将面临枯竭，开发可再生替代能源已势在必行。在核能面临安全危机、
生物质能遭遇粮食安全等情况下，太阳能发展作为新能源产业突出的地位，因此既能实现太阳能发电，又能保证粮食和农产品安全供应的光伏温室必将具有重要的发展前景。既可在保证种植生产效果的同时，充分利用到太阳能这一取之不尽的
可再生能源，无论是对温室
园艺产业，还是对全人类的生存环境都具有非常重要的意义。
[0003] 为了提高输出效率和降低发电成本，光伏温室发展的关键技术问题是如何协调分配温室内作物生长和光伏发电对太阳光照的需求。实现满足作物生长的情况下，实现光伏发电效率的最大化，而其中温室屋面光伏面板的布局与调控设计是解决这个问题的关键。因此本发明基于温室作物的光照需求模型、光伏
电池等效数学模型和作物冠层的光环境数学模型，并结合优化
算法对光伏温室电池阵列进行设计和调控，实现满足温室作物生长条件下光伏电池最大发电量的太阳能
能量合理分配。
[0004] 因此研究不同光伏电池阵列面积、布局和
角度等对温室内光环境的影响基本规律分析，是有助于协调分配温室内作物生长和光伏发电对太阳光照的需求。实现温室内光分布的均匀度，有利于室内所有作物的正常生长，也有利于光伏发电的效率最高。因此温室屋面光伏面板阵列的合理设计对于光伏温室的研制与开发具有非常重要的意义。
[0005] 研究光伏温室发电电池阵列设计与调控方法主要有试验设计方法和数学模型模拟方法。试验设计方法比较简单、直观、有效，缺点是投资大，周期长且优化设计困难。数学模拟投资小、易计算，可以对试验方法无法实现的特殊条件或复杂状态进行模拟及相关状态转换处理，但必须根据实际研究对象特征进行修正才能使其有效性得到保证。
[0006] 光伏温室由于要试验各种
气候条件下的实验数据，务必试验周期较长。如果在设计不成熟的情况下进行现场施工与试验，会造成较大的作物等经济损失，且容易造成反复返工等问题。因此，采用数学模拟方法在设计光伏温室面板阵列，并在保证作物生长的条件下，对温室面板阵列设计与调控进行优化设计，确保光伏温室电池阵列设计的科学合理性。
发明内容
[0007] 为了克服现有无法实现温室光伏发电和作物生长以及能量有效调控的技术问题，本发明提供一种有效实现温室光伏发电和作物生长、能量有效调控的基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法及其装置。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0009] 一种基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法，所述分配方法包括以下步骤[0010] 1）建立基于温室作物的光照需求模型、光伏电池等效数学模型和作物冠层的光环境数学模型，其中，
[0011] 所述光伏电池等效数学模型和基于温室作物的光照需求模型由下列物理模型表示：在温室作物单叶气孔阻
力rs，忽略CO2浓度的微小影响，采用湿度因素和阻止在设定的叶
温度下增加气孔阻力，得出的关系如下：
[0012]
[0013] 其中， 为单位叶面积的平均短波
辐射；Tc单位是℃；x单位是gm-3；rmin最小气孔阻力最优系数；
[0014] 根据作物生长整个过程的需求，对光伏面
板面积a,b值，以及面板个数进行有效的约束；
[0015] 所述作物冠层的光环境数学模型的建立过程：根据不同光伏电池阵列面积、布局和角度等对太阳光直接辐射、散射辐射的影响，并考虑作物生长对辐射影响等因素，基于双向
光线跟踪技术，建立光伏电池阵列影响下的室内光环境模型；温室光伏面板影响下的改进双向
光线跟踪技术采用整体光照模型表示为:
[0016] 式中，kcG为传统光线跟踪技术求出的光伏温室内部辐射强度，G为室外
太阳辐射强度，kc为遮挡材料的透光率。如果被光伏面板遮档，则kc为光伏面板的透光率；如无遮挡，kc的为温室
覆盖材料的透光率；第二项为对
光源经
镜面反射后形成的所有间接点光源求和；第三项为对光源经规则透射后产生的所有间接点光源求和；Ii'是间接点光源的入射光
亮度；Kd为漫反射率;Kd'为漫透射率;kd为漫反射系数;kd'为漫透射系数;Km为镜面反射率;km为镜面反射系数;Kt为规则透射率;kt为规则透射系数;N0为单位法向量;L0为单位光线向量;dωi为入射角的立体角。室外光源假设为理想的点光源，针对电池面板安装对作物冠层的光环境影响进行有效的建模，确定
位置比例系数Ki；并利用整体光照明模型计算作物冠层的光照强度和光环境部分，选取作物生长周期内关键时期不同气候条件下太阳直射的关键角度作为模拟的对象；
[0017] 2）建立多参数、多变量、非线性耦合对时间微分方程，通过微分方程的求解实现不同光照强度、光照角度和温度条件下，并结合
优化算法对光伏温室电池阵列进行设计和调控，实现满足温室作物生长条件下光伏电池最大发电量的太阳能能量合理分配。
[0018] 进一步，所述步骤2）中，优化算法为
遗传算法，根据建立模型的约束条件，采用遗传算法优化布局和面积参数，优化参数温室开间边界与第一
块电池面板和第二块电池面板的距离x1、x2,电池面板与温室
屋脊的距离y,每块电池面板的长度a,宽度b，优化过程步骤如下：
[0019] 2.1）初始化后x1、x2、y、a、b参数群体，每个参数随机生成n个个体作为初始群体P(0)，设置最大进化代数T；
[0020] 2.2)计算种群适应度值，并判断种群最优解是否满足设置值；
[0021] 2.3）若满足，直接输出最优结果；
[0022] 2.4）若不满足：程序对初始种群各个的适应度值进行排序，根据排序的结果选择粒子，对优秀粒子直接遗传，对在进行交叉和变异运算，产生新的种群；
[0023] 2.5）然后，计算新种群判断是否满足设置值，或达到最大
迭代次数T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。若满足直接得出最优结果，若不满足进入下次循环，如此循环运行，最终得出最优x1,x2,y,a,b结果，从而实现温室光伏面板阵列的优化设计。
[0024] 再进一步，所述装置包括角度调节传动机构，所述温室
屋顶光伏阵列的电池面板连接角度调节传动机构，所述角度调节传动机构由减速
电机、连接轴、主动
齿轮，直行
齿条、从动齿轮、旋
转轴、
支撑轴承、
滑动轴承、齿轮-弧形齿条、滚动
滑轮、环境
传感器、与控制执行系统组成，齿轮-直行齿条，齿轮-弧形齿条连接部都有
定位销和齿条长度调整紧固
螺母组成，在直行齿
轮齿条的下面设置可易于使齿条滑动并提供支撑面的滚轮。
[0025] 进一步，根据由于电池面板在转动过程中弧形齿条的空间位置变化，通过分段圆弧的转速跟不同直径直径的换算，从0度到最大角度可分为3个阶段，每个阶段的运行时间与全部开启时间和3个不同直径的关系如下：采用控制减速电机的运行时间实现达到电池面板角度的控制。
[0026] 更进一步，所述控制执行系统由
信号采集器、
嵌入式计算机、继电器信号输出器、减速电机组成；
[0027] 所述的信号采集器，接收室内外光照、温湿度
传感器数据，并进行预处理操作后上传至嵌入式计算机；
[0028] 所述的嵌入式计算机，为温室光伏发电和
环境控制的核心，接收
数据采集器上传的数字室内外光照、温湿度等信号，识别当前的环境、光照状态，并向继电器信号输出器发出相应的控制指令；
[0029] 所述的继电器信号输出器，接收嵌入式计算机发出的控制指令，产生对应的强
电信号，完成光伏电池面板减速电机的驱动；
[0030] 所述的减速电机通过两级齿轮齿条控制机构与光伏面板相连，根据计算机发出的指令，完成光伏面板的开度调节。
[0031] 本发明的有益效果主要表现在：
[0032] 1)可以较好的模拟光伏温室室内光环境，是在模拟研究室内光照环境的有效方法。
[0033] 2)本方法不受设计光伏温室地点、结构等参数的限制，方便、快捷，应用范围广，并节约了设计时间和设计成本。
[0034] 3)本装置可实现温室光伏发电和作物生长有效生长的能量有效调控。
附图说明
[0035] 图1是光伏温室与控制示意图；附图1中：1-湿帘2-
风机3-作物4-室内温湿度、光照传感器5-执行
控制器6-嵌入式计算机7-室外辐射传感器8-光伏电池面板9-数据采集器。
[0036] 图2是电池面板转动传动机构与优化参数；附图2中1-减速电机2-连接轴3-主动4-直行齿条5-支撑轴承6-转动轴7-弧形齿轮齿条8-光伏电池面板9-从动齿轮10-
驱动轴。
[0037] 图3是主从齿轮-齿条驱动简图；附图3中1-主动齿轮2-直形齿条3-滚轮4-从动齿轮。
[0038] 图4是齿条空间运动与转动角度的关系计算简图。
[0039] 图5是光伏电池阵列优化设计流程简图。
[0040] 图6是本发明选取电池面板长宽分别为1650*990mm的多晶
硅片的选择布局分析的排列方式：图6（a）沿温室纵向直行排列；图6（b）交错排列；图6（c）沿温室横向、纵向间隔排列方式。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图，下面对本发明进行详细说明。
[0042] 参照图1～图6，一种基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法，建立基于双向光线跟踪的温室内作物冠层光环境模型，以现代国内大量应用的文洛式(VENLO)玻璃温室为实例，结合
叶片气孔阻力起决定性的作物生长光照模型和光伏电池等效数学模型，采用遗传算法结合的优化算法，以保证满足作物生长光环境下的光伏电池较大发电量，并保证在较快时间内最终实现温室光伏面板阵列的优化设计。
[0043] 所述的基于双向光线跟踪的温室内作物冠层光环境模型，即根据不同光伏电池阵列面积、布局和角度等对太阳光直接辐射、散射辐射的影响，并考虑作物生长对辐射影响等因素，基于双向光线跟踪技术，建立光伏电池阵列影响下的室内光环境模型。
[0044] 由于不同光伏电池阵列面积、布局和太阳直射角度等因素情况很多，如果每个角度、面积布局等都组合进行模拟运算，则模拟的工作量非常大、在实际操作过程中，要完全模拟上述各种情况几乎是不可能的，而且其中多数情况也没有非常必要。针对此问题，就必须选取关键参数的模型研究方法，即在考察所研究对象时，分析在模拟条件中哪些因素对模拟其重大作用，哪些是次要的，不起决定作用的。
[0045] 太阳直射的角度可从半球型各点动态变化的过程模拟温室内
植物冠层的光环境。其中根据温室的建造方向和维度等，选取太阳不同季节关键日，分为晴天、阴天和下雨情况，分别进行模拟一日内室内光环境的变化情况。由于布局不同，对温室每个地方光环境的影响不同，因此在不同布局下，选取室内几个关键点的光环境模拟分析。
[0046] 正向跟踪能够计算环境的镜面反射光和规则
透射光对漫反射表面
光亮度的影响。双向光线跟踪技术采用的整体光照模型可表示为:
[0047]
[0048] 式中，kcG为传统光线跟踪技术求出的光伏温室内部辐射强度，G为室外太阳辐射强度，kc为遮挡材料的透光率。如果被光伏面板遮档，则kc为光伏面板的透光率；如无遮挡，kc的为温室覆盖材料的透光率；第二项为对光源经镜面反射后形成的所有间接点光源求和；第三项为对光源经规则透射后产生的所有间接点光源求和；Ii'是间接点光源的入射光亮度；Kd为漫反射率;Kd'为漫透射率;kd为漫反射系数;kd'为漫透射系数;Km为镜面反射率;km为镜面反射系数;Kt为规则透射率;kt为规则透射系数;N0为单位法向量;L0为单位光线向量;dωi为入射角的立体角。
[0049] 室外光源(太阳辐射)假设为理想的点光源，以方便确定到达被照射点的光能大小。针对电池面板安装对作物冠层的光环境影响进行有效的建模，不仅考虑太阳直射的因素，还需要考虑漫反射的影响，主要是识别其中的位置比例系数Ki的确定。位置比例系数Ki根据光伏面板布局对室内光照环境对不同位置的影响分析，结合简化试验模拟确定合理参数值。并利用整体光照明模型计算作物冠层的光照强度和光环境部分，选取作物生长周期内关键时期不同气候条件下太阳直射的关键角度作为模拟的对象，减少模拟的计算量，以便计算机能尽快实现收敛。
[0050] 结合温室作物的光照需求、光伏电池等效数学模型和上述的作物冠层的光环境数学模型，建立多参数、多变量、非线性耦合对时间微分方程，通过微分方程的求解实现不同光照强度、光照角度和温度条件下的作物生长和光伏发电的光照实时协调分配机制。光伏电池的数学模型和作物光需求可由下列物理模型表示。
[0051] 根据光伏太阳电池板的内部结构和输出伏安特性得到光伏方阵的等效
电路由一个受光强和温度影响的
电流源并联上一个
二极管再
串联一个
电阻组成。光伏电池的数学模型可表示如下：
[0052]
[0053] 理想情况下RS可近似为零，RSH近似为无穷大，简化为：
[0054]
[0055] P=V·I （3）
[0056] I为输出电流；IPH为光生电流；I0为反向饱和电流；q为
电子电荷；V为
输出电压；Rs为串联电阻；n为二极管品质因子；k为波尔兹曼常数；T为开氏温度；RSH为并联电阻；
[0057] 温室作物生长的光合作用与蒸腾作用相互关联，是植物生长的必要条件，其中受外部环境影响重要的叶片气孔阻力起决定性的作用，因此所述的作物光需求可由气孔阻力来体现。在温室作物单叶气孔阻力（rs），忽略CO2浓度的微小影响，采用湿度因素和阻止在一定的叶温度下增加气孔阻力，得出的关系如下：
[0058]
[0059] 其中， 为单位叶面积的平均短波辐射；Tc当前室内温度，单位是℃；xc,xa分为室-3内实际绝对湿度和饱和绝对湿度，单位是gm ；rmin最小气孔阻力最优系数。ks1,ks2为合适的修正系数，不同的作物有所区别，如番茄作物修正值分别为4.3，0.54。
[0060] 利用优化算法得到满足温室作物生长条件下的光伏电池最大发电量是光伏温室电池面板阵列的核心任务。针对这一问题，采用一种实码遗传算法的优化方法来实现光伏温室电池面板阵列优化设计，实现满足作物生长光环境下的光伏电池较大发电量。
[0061] 本发明根据建立模型的约束条件，采用遗传算法（GA）优化布局和面积等参数。优化参数如附图2中参数x1,x2,y,a,b，优化流程如附图5，过程步骤如下：
[0062] 1）初始化后x1、x2、y、a、b参数群体，每个参数随机生成n个个体作为初始群体P(0),设置最大进化代数T。
[0063] 2)计算种群适应度值，并判断种群最优解是否满足设置值；
[0064] 3）若满足，直接输出最优结果；
[0065] 4）若不满足：程序对初始种群各个的适应度值进行排序，根据排序的结果选择粒子，对“优秀”粒子直接遗传，对在进行交叉和变异运算，产生新的种群；
[0066] 4）然后，计算新种群判断是否满足设置值，或达到最大迭代次数T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。若满足直接得出最优结果，若不满足进入下次循环，如此循环运行，最终得出最优x1,x2,y,a,b结果，从而实现温室光伏面板阵列的优化设计。
[0067] 光伏温室电池面板的角度调节传动机构如附图2所示，由减速电机、连接轴、主动齿轮，直行齿条、从动齿轮、
旋转轴、支撑轴承、滑动轴承、齿轮-弧形齿条、滚动滑轮、
环境传感器、与控制执行系统组成。滑动轴承实现电池面板和支撑轴的旋转支撑，满足面板具有旋转运动的能力。可方便安装与拆卸，同时轴自身转动不影响或干涉面板旋转的功能。
[0068] 减速电机选用功率为0.55kw,
传动比为1：300，输出转速为2.8rpm，额定转速为1400r/min，具体型号为DWPSV75。连接轴选用材料为45
钢直径为Φ32mm的轴,采用弹性套柱销
联轴器连接，其孔直径为Φ32mm.主动齿轮孔径为Φ32mm，直径为50mm。传动齿轮选用A型直形齿条。为了增加转动轴的
扭矩，经校核设计了从动齿轮的分度圆直径为Φ150mm，采用直径为Φ50mm长度为300mm轴。采用弹性套柱销联轴器连接转动轴选用Φ32*3.0热
镀锌钢管。主从齿轮的转动比为1：3。
[0069] 齿轮-弧形齿条连接部都有定位销和齿条长度调整紧固螺母M8组成，方便齿条长度和位置的调整。齿轮-弧形齿条与电池面板的连接采用M8
螺栓连接，并采用
过盈配合，满足旋转运动的能力。在直行齿轮齿条的下面设置可易于使齿条滑动的滚轮，同时也为齿轮的支撑滚轮。
[0070] 齿轮齿条中主从齿轮转动比固定，减速电机轴的转速与转动轴的转速比固定。电机转速计算中可直接与弧形齿条转速配合计算。由于电池面板在转动过程中，弧形齿条的空间位置是变化，导致同样的转速引起在单位时间内的转动角度不是匀速的，齿条运动位置图如附图3所示。可把弧形分为三段圆形结构，直径分别为R1,R2,R3，。因此可把角度转速分三个阶段,平均转动每个角度β所用的时间是不同的，从0度到最大角度开启每阶段用的时间分别为t1,t2,t3，从0度到最大角度开启电机运转的时间为T。根据圆弧周长的计算，可获得t1,t2,t3与直径R1,R2,R3和整个开启T的关系，
[0071] 因此通过该方法控制电机运转的时间达到电池面板角度较精确的控制。
[0072] 完成光伏温室环境参数和执行机构状态识别与相应的控制功能，由信号采集器、嵌入式计算机、继电器信号输出器、减速电机组成。
[0073] 所有的信号传送采用
串行总线接口中的Controller Area Network（简称CAN）总线技术。CAN收发器采用基于美国德州仪器(Texas Instruments,TI)的CAN和隔离技术相结合的器件低功耗器件,具体型号为ISO1050。
[0074] 所述的信号采集器，采集芯片有接收室内外光照、温
湿度传感器数据，并进行预处理操作后上传至嵌入式计算机；
[0075] 所述的嵌入式计算机，可选用工业计算机。为带有CAN总线接收卡的温室光伏发电和环境控制的核心，接口卡可可选用PCI-7841，接收数据采集器上传的室内外光照、温湿度等信号，识别当前的环境、光照状态等
数字信号，并向继电器信号输出器发出相应的控制指令；
[0076] 所述的继电器信号输出器，接收嵌入式计算机发出的控制指令，产生对应的强电信号，完成光伏电池面板减速电机，风机和
水泵等执行机构的驱动；
[0077] 所述的减速电机通过两级齿轮齿条控制机构与光伏面板相连，根据计算机发出的指令，完成光伏面板的开度调节。还有温室降温机构湿帘水泵、风机的开启调节室内的温度。
[0078] 最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体
实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多
变形，如温室电池多（单）晶硅面板换成光伏
薄膜或光伏玻璃的优化设计等。本领域的普通技术人员还能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
