楊世鳳， 王玉鵬， 李歡歡， 趙繼民

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

養(yǎng)殖池塘太陽(yáng)能供電智能增氧系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

楊世鳳， 王玉鵬， 李歡歡， 趙繼民

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖存在的自動(dòng)化水平低、增氧設(shè)備耗能高以及太陽(yáng)能利用技術(shù)普及不足等現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套以太陽(yáng)能為主要?jiǎng)恿?lái)源的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能增氧系統(tǒng)。通過研究太陽(yáng)能供電系統(tǒng)各部分的組成結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式及特點(diǎn)，結(jié)合選定地點(diǎn)的太陽(yáng)能資源情況，分析不同情形下太陽(yáng)能的輻射強(qiáng)度，確定光伏陣列容量，計(jì)算系統(tǒng)每日發(fā)電量與負(fù)載用電量的匹配情況，以達(dá)到太陽(yáng)能電池板容量的優(yōu)化配置，并將其應(yīng)用于智能供氧系統(tǒng)。系統(tǒng)采用基于ATmega128單片機(jī)的硬件電路，以及軟件程序設(shè)計(jì)，運(yùn)用電導(dǎo)增量法、三階段式充電法、逆變電路等技術(shù)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤、蓄電池的智能充放電、逆變器SPWM控制、供電源自動(dòng)切換和增氧設(shè)備自動(dòng)啟停等主要功能。結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能有效提高魚塘增氧效率、降低養(yǎng)殖成本，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的環(huán)?；妥詣?dòng)化。結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、節(jié)省電能，能提高水體溶氧，可滿足節(jié)能、環(huán)保的要求。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；太陽(yáng)能；電導(dǎo)增量法；逆變器；ATmega128單片機(jī)

近年來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正在向高密度、集約化、機(jī)械化方向發(fā)展。增氧機(jī)是提高水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的重要設(shè)備，但其耗電量極大。據(jù)測(cè)算[1]，池塘養(yǎng)殖中增氧年耗電量達(dá)4.03×1010kW·h，占池塘養(yǎng)殖總能耗的54.6%。此外，現(xiàn)有的水質(zhì)監(jiān)控儀器只能監(jiān)測(cè)而無(wú)法調(diào)控水質(zhì)[2]。目前大多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖者仍是憑借經(jīng)驗(yàn)，依天氣變化及水產(chǎn)品活動(dòng)情況來(lái)判斷水質(zhì)，控制增氧機(jī)的啟停時(shí)間。這不僅導(dǎo)致增氧不及時(shí)或增氧過度，還造成電力與人力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

本研究將水質(zhì)監(jiān)控[3]和增氧設(shè)備結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能供電、能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)并控制增氧機(jī)啟停的智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)增氧系統(tǒng)。近年來(lái)我國(guó)太陽(yáng)能利用技術(shù)發(fā)展迅猛、應(yīng)用廣泛[4-10]。本研究以太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，以單片機(jī)為控制核心，獨(dú)立設(shè)計(jì)和優(yōu)化系統(tǒng)電路，編寫所用硬件設(shè)備控制程序，以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤、蓄電池智能充放電、逆變器SPWM控制、供電源切換和增氧設(shè)備自動(dòng)啟停等主要功能。

1 系統(tǒng)工作原理及組成

1.1 太陽(yáng)能供電增氧系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能供電增氧系統(tǒng)(圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

以太陽(yáng)能為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)交流耕水機(jī)，完成對(duì)封閉水體的增氧，主要包括太陽(yáng)能電池板、MPPT電路、充放電控制電路、蓄電池組、逆變器、交直流負(fù)載；發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)日照強(qiáng)弱、負(fù)荷變化，不斷對(duì)蓄電池組充電、放電或浮充等多種工況進(jìn)行切換和調(diào)節(jié)，將調(diào)整后的電能提供給交直流負(fù)載，同時(shí)蓄電池組儲(chǔ)存多余電能，當(dāng)發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，蓄電池組通過控制器給負(fù)載提供電能，實(shí)現(xiàn)蓄電池多種工況的交替運(yùn)行，以保證發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)與穩(wěn)定。此過程全部由主控制器自動(dòng)控制，無(wú)需人員操作，體現(xiàn)了本系統(tǒng)的智能化。

1.2 水質(zhì)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與控制，即通過傳感器檢測(cè)溶氧、溫度等水質(zhì)指標(biāo)，并將這些模擬量轉(zhuǎn)換為主控制器可以接收的數(shù)字量，然后與給定參數(shù)對(duì)比，并經(jīng)主控制器控制算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)增氧設(shè)備的控制。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

2.1.1 電池容量

電池容量包括太陽(yáng)能光伏電池容量與蓄電池組容量。光伏容量設(shè)計(jì)以滿足系統(tǒng)日常工作所需的最少太陽(yáng)能電池組件和蓄電池?cái)?shù)量為宜[11]，進(jìn)而使電池組件和蓄電池容量實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合，以實(shí)現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

太陽(yáng)能光伏電池板所選型號(hào)為TL075，其容量計(jì)算如下：

平均日輻射時(shí)數(shù)H：

H=Ht×2.778/1 000

(1)

式中：Ht—太陽(yáng)能電池組件安裝地點(diǎn)日輻射量，MJ/m2。

太陽(yáng)能電池組件日發(fā)電量QP：

QP=Im×H×KOP×CZ

(2)

式中：Im—太陽(yáng)能電池組件最佳工作電流，A；KOP—斜面修正系數(shù)，取值為1.09～1.14；CZ—修正系數(shù)，一般取0.8。

太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)數(shù)NP：

Bcb=A×Q1×N

(3)

(4)

式中：Bcb—蓄電池補(bǔ)充容量，Ah；A—安全系數(shù)，取值為1.1～1.4；Q1—日耗電量，Ah；N—最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，d。

太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)數(shù)：

(5)

式中：UR—太陽(yáng)能電池方陣輸出最小電壓，V；UOC—太陽(yáng)能光伏組件標(biāo)稱電壓，V；Ur—蓄電池浮充電壓，V；UD—二極管壓降，V；UC—其他因素引起壓降，V。

太陽(yáng)能電池方陣功率和輸出電流：

P=P0×NS×NP

(6)

I=NP×ISC

(7)

式中：P0—太陽(yáng)能電池組件的額定功率，W。

采用MPPT控制模型的電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，進(jìn)而控制太陽(yáng)能電池端電壓，使其能在不同日照輻射強(qiáng)度和溫度環(huán)境下輸出最大功率[12-13]。其MATLAB仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 電導(dǎo)增量法MPPT控制仿真結(jié)果

蓄電池組容量需要考慮太陽(yáng)能電池方陣的功率、負(fù)載容量和逆變器的工作效率以及自給天數(shù)，一般取自給天數(shù)為3～5 d，嚴(yán)格用電負(fù)載可取7～14 d。計(jì)算公式如下：

(8)

式中：A—安全系數(shù)，取值1.1～1.4；Q1—日耗電量，Ah；N—最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；T—溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；CC—放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75。

2.1.2 逆變器電路

將逆變器[14]加入到太陽(yáng)能供電智能增氧系統(tǒng)給交流負(fù)載供電是本系統(tǒng)一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)需求采用兩級(jí)變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種隔離型逆變器，即前級(jí)DC-DC升壓變換，后級(jí)DC-AC全橋逆變。這種架構(gòu)具有性能可靠、控制相對(duì)獨(dú)立簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，便于系統(tǒng)軟硬件模塊化設(shè)計(jì)[15]。逆變器首先將Boost端輸出的電能或蓄電池端輸出的電能(約24 V)通過輸入濾波電路進(jìn)行濾波處理，通過推挽升壓變換將直流電壓從24 V升至360 V左右，然后用單相全橋逆變進(jìn)行逆變處理，最后將輸出的脈沖波經(jīng)過LC低通濾波器消除高次諧波，輸出50 Hz的交流電壓。

圖3 逆變電路圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 檢測(cè)電路

本系統(tǒng)能夠?qū)θ苎鹾蜏囟纫约肮夥姵睾托铍姵氐碾妷骸㈦娏鞯冗M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并反饋到單片機(jī)中進(jìn)行判斷，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。選取瑞士HAMILTON的OXYSNS120溶氧傳感器測(cè)量溶氧[16]，溫度傳感器為達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20[17]。同時(shí)采用并聯(lián)大電阻的分壓方法來(lái)檢測(cè)光伏電池和蓄電池的電壓，采用中間電壓轉(zhuǎn)換的方法監(jiān)測(cè)電流信號(hào)。為了使檢測(cè)值更加穩(wěn)定，加上電壓跟隨器LM358[18]，并且在輸出端加上濾波電容，消除擾動(dòng)信號(hào)。

2.2.2 蓄電池充電電路

與傳統(tǒng)蓄電池不同，本系統(tǒng)采用美國(guó)TI公司的鉛酸蓄電池充電專用芯片UC3906[19]，并采用雙電平浮充充電方式，屬于典型三階段充電法[20]，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度自適應(yīng)、充放電程度自適應(yīng)以及限流、欠壓保護(hù)等(圖4)。

圖4 三段式充電電壓、電流曲線

智能充電流程如圖5所示，其中Ub為蓄電池電壓，I為充電電流，IOC為過充終止電流。

2.2.3 輸出控制電路

輸出控制電路有實(shí)現(xiàn)負(fù)載驅(qū)動(dòng)、供電源切換(太陽(yáng)能電池、蓄電池、民用電)的功能，主要由光電隔離、信號(hào)放大、繼電器組成。

圖5 蓄電池智能充電流程圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用ATMEL公司推薦的第三方C編譯器ICCAVR6，具有功能合適、使用方便、技術(shù)支持好的特點(diǎn)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有主程序設(shè)計(jì)、MPPT控制程序設(shè)計(jì)、蓄電池智能充放電控制程序設(shè)計(jì)、供電源切換程序設(shè)計(jì)、耕水機(jī)控制程序設(shè)計(jì)。在智能增氧系統(tǒng)中，以太陽(yáng)能供電為主，民用備用電輔助。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，然后打開中斷，中斷包括兩個(gè)定時(shí)器中斷和一個(gè)外部中斷，前者分別用來(lái)設(shè)定各個(gè)參數(shù)檢測(cè)的時(shí)間間隔和最大功率點(diǎn)跟蹤的時(shí)間。初始化后，系統(tǒng)首先對(duì)蓄電池參數(shù)進(jìn)行采樣，以此判斷蓄電池是否需要充電并調(diào)用充電子程序，然后選擇供電源，準(zhǔn)備就緒后開始檢測(cè)溶氧參數(shù)，以此來(lái)判斷是否開啟耕水機(jī)。

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

3.1 測(cè)試條件

本系統(tǒng)在天津市寶坻區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖基地測(cè)試。選擇一民用魚塘進(jìn)行示范應(yīng)用研究。將水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)安裝在距離投食處約10 m遠(yuǎn)水域，此處魚群密度較為適中，測(cè)量數(shù)據(jù)具有參考價(jià)值。增氧機(jī)位于魚塘左側(cè)，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)位于岸邊。試驗(yàn)過程中，傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得的溶氧與水溫等信息能夠正常傳輸、顯示，并由主控制器判斷是否啟動(dòng)增氧機(jī)。

3.2 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)選用的太陽(yáng)能電池選用型號(hào)為TL075，短路電流4.95 A，開路電壓21.6 V，峰值電壓17.2 V，最大工作電流4.36 A，峰值功率75 W；采用的鉛酸蓄電池額定電壓1 V，額定容量150 Ah，浮充電壓設(shè)13.8 V，過充電壓15 V。在日常光照較充足情況下，樣機(jī)啟動(dòng)后，單片機(jī)通過對(duì)Boost電路輸出端電壓和電流的檢測(cè)計(jì)算出最大功率點(diǎn)功率(表1)?？梢钥闯?，輸出電壓、電流基本維持在17.91 V、3.15 A，輸出功率56.45 W，基本滿足增氧系統(tǒng)的供電需要。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到當(dāng)前環(huán)境條件下的最大功率輸出之后并沒有停留在最大功率點(diǎn)上，而是一直在此點(diǎn)附近震蕩，這符合電導(dǎo)增量法的跟蹤理論和預(yù)期結(jié)果。該系統(tǒng)在連續(xù)無(wú)太陽(yáng)的情況下可供用戶5 d的使用電量。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)太陽(yáng)能資源可利用率達(dá)到85%，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是戶用型小容量可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的最佳選擇[21]。經(jīng)過分析，所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能發(fā)電智能增氧系統(tǒng)大大降低了水產(chǎn)養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖成本。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

針對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖中的水質(zhì)調(diào)控以及增氧設(shè)備耗電大的問題，提出了采用太陽(yáng)能供電的智能增氧系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能供電，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控魚塘中的溶氧、溫度、pH等水質(zhì)信息，通過與主控制器內(nèi)存儲(chǔ)的正常值相比較，可自動(dòng)控制增氧機(jī)的啟動(dòng)，增加溶氧。經(jīng)測(cè)算，試驗(yàn)所在地日平均輻射量為16.8 MJ/m2，所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池組件日發(fā)電量為17.75 Ah，能夠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖低能耗與自動(dòng)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

□

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Studyondesignofsolarpoweredintelligentoxygen-increasingsysteminaquacultureponds

YANGShifeng,WANYYupeng,LIHuanhuan,ZHAOJimin

(CollegeofElectronicInformationandAutomation,TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin300222,China)

In view of the low-level automatization, high energy-consumption oxygen-increasing equipment and low popularity of solar power technologies in the aquaculture industry, an intelligent oxygen-increasing system for aquaculture mainly based on solar energy was designed. In this paper, the solar radiation intensity under various situations was analyzed; the PV array capacity was determined; the daily power generation capacity and the power consumption were calculated to get the matching situations between them so as to achieve the optimal allocation of solar panel capacity and apply it to the intelligent oxygen-increasing system, by the study of the composition, operation mode and characteristics of each part of the solar power supply system along with the solar energy resources of selected locations. The system adopted the design of the hardware circuit and software program based on the ATmega128 single-chip microcomputer, and the techniques of incremental conductance, three-stage charging, inverter circuit,etc. to achieve the maximum power point tracking, intelligent battery charging and discharging, inverter SPWM control, automatic switching power supply, automatic start-stop of oxygen equipment, etc. The results showed that the system can effectively increase the oxygen-increasing efficiency in fish ponds, reduce the aquaculture cost, achieve the environmental protection, and automation of aquaculture. The system has already entered into trial and the trial results proved that the system is stable and reliable, which can improve the oxygen dissolution level in the water, thus satisfying the requirements of energy saving and environmental protection.

aquaculture; solar energy; incremental conductance; inverter; ATmega128 single-chip microcomputer

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.06.012

2017-09-13

天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化與推廣項(xiàng)目(201502360)

楊世鳳(1960—)，男，教授，博士，研究方向：智能化自動(dòng)化系統(tǒng)與裝置。E-mail：yangsf@tust.edu.cn

S969.32+1

A

1007-9580(2017)06-068-05