王敏 王軍洋

0 引言

割草機(jī)（又稱(chēng)除草機(jī)、剪草機(jī)、草坪修剪機(jī)）是用于輔助修剪與整理草坪、植被的機(jī)械工具。太陽(yáng)能割草機(jī)是一種以太陽(yáng)能為動(dòng)力的割草機(jī)。相比于其他太陽(yáng)能產(chǎn)品的快速發(fā)展，太陽(yáng)能割草機(jī)的研究進(jìn)展緩慢。目前，國(guó)際市場(chǎng)上的太陽(yáng)能割草機(jī)只有寥寥幾款，而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)幾乎是空白。本文從技術(shù)的角度，對(duì)太陽(yáng)能割草機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析，為我國(guó)太陽(yáng)能割草機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)提供借鑒。

1 太陽(yáng)能割草機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外太陽(yáng)能割草機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

世界上最早研究太陽(yáng)能割草機(jī)的是瑞典的Husqvarna 公司。該公司研制的太陽(yáng)能割草機(jī)能自動(dòng)工作，外圍面覆蓋著多晶硅太陽(yáng)能光伏電池，可將日光能轉(zhuǎn)換為電能，與只利用蓄電池的割草機(jī)相比，在光照條件充足的條件下優(yōu)勢(shì)明顯，其割草面積可以增加25%[1]。它能夠自主躲避園內(nèi)有樹(shù)影的位置，隨著時(shí)間推移，陰影位置改變后，會(huì)重新回到該位置作業(yè)。

美國(guó)的一家名叫“路易斯安那州室外生產(chǎn)”的公司，獨(dú)立設(shè)計(jì)研制出了一款稱(chēng)為“Weed Eater”的全自動(dòng)草坪割草機(jī)。該割草機(jī)外形獨(dú)特、靈活輕便，重約5.63 kg，能以事先埋在草坪邊界的導(dǎo)線(xiàn)為限制，在34 個(gè)太陽(yáng)能光伏電池的驅(qū)動(dòng)下在一定的區(qū)域內(nèi)自動(dòng)工作。1994 年，“Weed Eater”割草機(jī)被評(píng)為美國(guó)重要科技成果[2]。

在以汽油機(jī)為動(dòng)力的割草機(jī)的基礎(chǔ)上，美國(guó)洪堡州立大學(xué)學(xué)生Jeremy James 改裝出了一款太陽(yáng)能割草機(jī)。該太陽(yáng)能割草機(jī)將原有的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更換成蓄電池進(jìn)行割草作業(yè)。太陽(yáng)能電池板被設(shè)計(jì)人員固定在某一位置，及時(shí)為蓄電池補(bǔ)充電能。在此概念的基礎(chǔ)上，由美國(guó)北愛(ài)荷華大學(xué)學(xué)生設(shè)計(jì)了一款草坪割草機(jī)，該草坪割草機(jī)的太陽(yáng)能電池板可與割草機(jī)一起運(yùn)動(dòng)，在陽(yáng)光遮蔽或陰天情況下，能夠?yàn)楦畈輽C(jī)的蓄電池充電6小時(shí)，滿(mǎn)足割草機(jī)正常工作1 小時(shí)。

加拿大Linamar Corp 設(shè)計(jì)研發(fā)了一款太陽(yáng)能割草機(jī)，蓄電池依靠在割草機(jī)作業(yè)區(qū)域安裝的太陽(yáng)能充電站進(jìn)行電能補(bǔ)給。該割草機(jī)選用的是無(wú)刷直流電機(jī)，作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的噪音低，具備遙控控制能力，動(dòng)作靈活，操作簡(jiǎn)單。

上述幾種割草機(jī)都是利用太陽(yáng)能電池板和蓄電池組合作為割草機(jī)作業(yè)的動(dòng)力源[2]，其明顯的優(yōu)勢(shì)是噪音低，對(duì)環(huán)境友好，操作簡(jiǎn)單，適宜一般家庭庭院使用。缺點(diǎn)是受充電方式和體積影響，不足以支撐大面積草坪修剪的需要。

1.2 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能割草機(jī)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能割草機(jī)的研究起步較晚，只有短短十幾年，因此投放到市面上的產(chǎn)品極少，其中比較有代表性的有肩背式太陽(yáng)能割草機(jī)（如圖1所示），它是由桂林一家生物環(huán)保能源公司研制生產(chǎn)。它率先將太陽(yáng)能應(yīng)用在割草機(jī)上，對(duì)國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能割草機(jī)技術(shù)的積累，起到了關(guān)鍵作用。除此之外，上海一家信息技術(shù)公司研制了RBZG001太陽(yáng)能割草機(jī)（如圖2 所示）。RBZG001 太陽(yáng)能割草機(jī)具備高智能圖像識(shí)別功能、視頻自主檢測(cè)和行駛路線(xiàn)自動(dòng)識(shí)別功能，能夠自主避障并能攀登一定坡度的草坪，可以滿(mǎn)足復(fù)雜環(huán)境的草坪割草工作。

國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能割草機(jī)技術(shù)水平較低，相關(guān)技術(shù)研究工作還處于剛剛起步階段，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在割草機(jī)上的應(yīng)用也只是局限在一些高等院校、科研單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性的研究與探索，不具備商業(yè)化條件。南京理工大學(xué)[3-5]對(duì)太陽(yáng)能割草機(jī)的總體、動(dòng)力能源系統(tǒng)、控制技術(shù)等方面進(jìn)行了深入研究，取得了一定成果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能割草機(jī)后續(xù)的發(fā)展提供了理論和技術(shù)支持。

圖1 肩背式太陽(yáng)能割草機(jī)

圖2 RBZG001 太陽(yáng)能割草機(jī)

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

太陽(yáng)能割草機(jī)的設(shè)計(jì)概念主要是圍繞通過(guò)太陽(yáng)能光伏電池模塊將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)割草刀片旋轉(zhuǎn)進(jìn)行的。以太陽(yáng)能電動(dòng)汽車(chē)為例，研究顯示，采用太陽(yáng)能光伏電池取代內(nèi)燃機(jī)，每輛汽車(chē)尾氣的二氧化碳排放量可減少43%～54%，同時(shí)能夠節(jié)省能源30%～50%。太陽(yáng)能割草機(jī)上的太陽(yáng)能電池、控制器、蓄電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等取代了傳統(tǒng)割草機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和減速裝置等相關(guān)部件，割草機(jī)的整體結(jié)構(gòu)得到極大簡(jiǎn)化，相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)也發(fā)生了變化，主要集中在光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)、車(chē)體技術(shù)和能量管理系統(tǒng)技術(shù)等方面。

2.1 光電轉(zhuǎn)換技術(shù)

光電轉(zhuǎn)換是指通過(guò)光電效應(yīng)或光化學(xué)效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程。太陽(yáng)能光伏電池是光電轉(zhuǎn)換的主要裝置，也是太陽(yáng)能割草機(jī)能量轉(zhuǎn)換的核心裝置。太陽(yáng)能光伏電池的普及應(yīng)用面臨如下問(wèn)題：一是太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低；二是現(xiàn)階段太陽(yáng)能光伏電池板生產(chǎn)制造成本較高。

美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室早在1954 年就成功地研制出了第一代太陽(yáng)能光伏電池，目前，太陽(yáng)能光伏電池已經(jīng)進(jìn)入到第三代發(fā)展期。第一代太陽(yáng)能電池板以硅材料為主，主要包括單晶硅、多晶硅以及非晶硅等。盡管硅材料的使用存在弊端，但因成本低及技術(shù)優(yōu)勢(shì)，仍是太陽(yáng)能光伏電池的主要材料，約占太陽(yáng)能光伏電池產(chǎn)品市場(chǎng)份額的90%[6]。第二代太陽(yáng)能電池板是基于薄膜材料技術(shù)上的一種新型太陽(yáng)能光伏電池，可分為碲化鎘、銅銦硒化物、銅銦鎵硒化物、砷化鎵等。薄膜電池使用的材料較晶體硅電池少，容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，能大大降低生產(chǎn)成本?，F(xiàn)階段，能夠成功用于商用的薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率只有6%～8%。新南威爾士大學(xué)對(duì)太陽(yáng)能光伏電池中能量損失機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，造成太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率低的原因主要集中在熱損失上。這一發(fā)現(xiàn)使得人類(lèi)在探索太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電技術(shù)上翻開(kāi)了新的一頁(yè)。太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換成電能的卡諾循環(huán)效率可以達(dá)到95%，但是電池材料的工藝技術(shù)成熟程度和制造成本，都不能和第一代硅太陽(yáng)能電池相提并論。因此，研究人員在開(kāi)發(fā)與研制出低成本、高效率的太陽(yáng)能電池材料上，仍然有很長(zhǎng)的路要走。

2.2 最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)

研究數(shù)據(jù)顯示，太陽(yáng)能光伏電池的輸出特性由于受到外部環(huán)境（日照強(qiáng)度、溫度、負(fù)載）及本身技術(shù)指標(biāo)（輸出阻抗）等因素影響，其輸出功率和電壓會(huì)在一定的范圍內(nèi)變化，并會(huì)在某點(diǎn)處獲得最大輸出功率，即“最大功率點(diǎn)”(Maximum Power Point，MPP)。采用一定的技術(shù)手段使太陽(yáng)能電池始終保持在MPP 處工作，能最大限度的提高系統(tǒng)發(fā)電效率，減少發(fā)電成本，該項(xiàng)技術(shù)就是最大功率點(diǎn)追蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT）。目前的MPPT 算法主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是傳統(tǒng)算法及其改進(jìn)算法，另一類(lèi)是基于現(xiàn)代控制理論的人工智能算法及其改進(jìn)算法[7]。

傳統(tǒng)算法主要包括恒定電壓法，電導(dǎo)增量法和擾動(dòng)觀察法等。傳統(tǒng)算法存在追蹤精度和速度不足，以及不能解決多峰情況下的追蹤問(wèn)題。人工智能算法主要包含粒子群優(yōu)化算法、模糊邏輯控制算法、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等[8]。這類(lèi)算法在解決實(shí)時(shí)追蹤問(wèn)題上具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但也存在局限性，由于該類(lèi)算法大多是以前人研究經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，參數(shù)的選取需要在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，具有一定的隨機(jī)性和偶然性，對(duì)于不同的問(wèn)題，參數(shù)的選取不具有統(tǒng)一性，在不同的光伏系統(tǒng)進(jìn)行尋優(yōu)時(shí)，每次都需要重新進(jìn)行參數(shù)選擇，工作量較大。

2.3 車(chē)體技術(shù)

受技術(shù)發(fā)展限制，現(xiàn)有的太陽(yáng)能光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率較低，要想滿(mǎn)足太陽(yáng)能割草機(jī)作業(yè)所需的功率，只能選擇通過(guò)增加太陽(yáng)能電池板的面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這必然會(huì)使車(chē)體結(jié)構(gòu)過(guò)大，能耗增加。此外，受制造材料性能的制約，目前使用的大部分太陽(yáng)能光伏電池不具備柔性，很大程度上限制了車(chē)身外形的設(shè)計(jì)。車(chē)體輕量化技術(shù)研究是提高系統(tǒng)效率的另一有效措施。汽車(chē)鋁業(yè)協(xié)會(huì)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)車(chē)體質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%[9]。因此，優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，選擇使用輕量化材料是降低整車(chē)質(zhì)量、提高整車(chē)效率的有效手段。減輕車(chē)體的質(zhì)量對(duì)提高燃油經(jīng)濟(jì)性有顯著影響[10]。

2.4 能量管理系統(tǒng)技術(shù)

能量管理系統(tǒng)技術(shù)的研究在太陽(yáng)能割草機(jī)的應(yīng)用中至關(guān)重要，該技術(shù)不僅需要預(yù)測(cè)系統(tǒng)負(fù)荷情況，評(píng)估蓄電池的狀態(tài)，還需要實(shí)現(xiàn)光伏電力在蓄電池充電和多種電器性負(fù)載用電之間的合理調(diào)度[11]。能量管理系統(tǒng)技術(shù)的研究對(duì)提高太陽(yáng)能車(chē)輛的續(xù)航里程、提高蓄電池的使用壽命以及降低成本有著重要的意義。

王曉璨等人[12]基于SG3525 設(shè)計(jì)了一款光伏電動(dòng)車(chē)供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了PC 電池輸出的利用率，但在太陽(yáng)能光伏電池模塊的優(yōu)化上，未引入MPPT 功能，電池輸出功率較低的問(wèn)題無(wú)法解決，且該控制電路相對(duì)較復(fù)雜，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)總線(xiàn)電壓。

趙潤(rùn)富等人[13]提出了一種太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)輛的能量管理控制策略，其概念主要是：采用MPPT功能，最大程度地控制太陽(yáng)能光伏電池工作在最大功率點(diǎn)處，光電轉(zhuǎn)換效率最佳，同時(shí)由蓄電池動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定為負(fù)載供電，而當(dāng)蓄電池的充電電壓過(guò)高或飽和充電，并且光伏電池輸出功率大于負(fù)載所消耗的功率時(shí)，光伏電池控制電路會(huì)主動(dòng)調(diào)整輸出模式，轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐狠敵?，并?duì)負(fù)載和蓄電池提供能量。通過(guò)該能量控制策略，可主動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作模式的動(dòng)態(tài)切換，保證負(fù)載長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。

柏莉[14]介紹了一種雙輸入DC/DC 轉(zhuǎn)換電路，在實(shí)現(xiàn)光蓄互補(bǔ)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)MPPT 控制器和雙輸入DC/DC 轉(zhuǎn)換電路的控制。然而，該轉(zhuǎn)換電路的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，穩(wěn)定性和可靠性還需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

盡管能量管理系統(tǒng)技術(shù)受到了較多研究者的關(guān)注，研究有一定進(jìn)展，但是技術(shù)并不成熟，主要是蓄電池的容量與其電壓、電流呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線(xiàn)性關(guān)系，同時(shí)能量管理系統(tǒng)還缺乏準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

3 割草機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器操作使用方便是各廠家研究和推廣的重點(diǎn)?，F(xiàn)階段各廠家在割草高度可調(diào)節(jié)、機(jī)器帶導(dǎo)線(xiàn)纏繞架和四輪萬(wàn)向結(jié)構(gòu)等方面作出了有效改進(jìn)。

3.1 無(wú)線(xiàn)化

隨著蓄電池技術(shù)的快速發(fā)展和推廣應(yīng)用以及高性能環(huán)保電池制造成本的大幅度降低，研制擺脫電線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)電割草機(jī)成為可能。雖然目前市場(chǎng)有一些以蓄電池為儲(chǔ)能器的割草機(jī)，但因?yàn)槠潆姵厝萘看?、成本高，并沒(méi)有得到用戶(hù)的青睞。如果能將儲(chǔ)能電池與太陽(yáng)能電池板結(jié)合作為割草機(jī)的動(dòng)力源，將會(huì)有利于打開(kāi)無(wú)線(xiàn)割草機(jī)市場(chǎng)。

3.2 智能化

割草機(jī)的另一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是智能化。所謂的智能化是指割草機(jī)能自主完成修剪整理草坪作業(yè)，無(wú)需人為直接控制和操作，具有自動(dòng)防止碰撞、自動(dòng)電池電量檢測(cè)、自動(dòng)返回充電等功能，具備一定爬坡能力。

4 結(jié)語(yǔ)

割草機(jī)經(jīng)歷了200 多年的發(fā)展，已由最初的畜力拖動(dòng)發(fā)展到現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)，但由于太陽(yáng)能割草機(jī)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、車(chē)體技術(shù)以及能源管理系統(tǒng)技術(shù)與割草機(jī)的實(shí)際需要還存在差距，適合大面積、長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的割草機(jī)還有諸多技術(shù)難題需要解決，太陽(yáng)能割草機(jī)的性能有待進(jìn)一步改善，應(yīng)用范圍有待進(jìn)一步拓寬。