杜忠明

（遵義師范學院物理與電子科學學院，貴州 遵義 563006）

我國適合種植茶葉的土地較多，例如貴州目前茶葉種植面積已超過40 萬hm2，而且面積還在進一步擴大，有力地促進了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展[1-3]。但是在種植茶葉過程中難免出現(xiàn)蟲害等問題，有研究表明，每年4 月份到9 月份是貴州茶樹害蟲的高發(fā)期，而且害蟲絕大部分是昆蟲[4]。利用昆蟲的趨光性或昆蟲對某種信息的傾向性，能制備出昆蟲誘捕器來誘捕昆蟲，以消耗電能的方式誘捕昆蟲，效果顯著[5-9]。使用昆蟲誘捕器誘捕昆蟲，可以避免使用農(nóng)藥，所捕獲的昆蟲可用于飼養(yǎng)雞和鴨等家禽，增加收入[10]。因此，推廣昆蟲誘捕器對于實現(xiàn)茶園有機生態(tài)化生產(chǎn)、提高經(jīng)濟效益具有重要意義。利用太陽能光伏發(fā)電為昆蟲誘捕器提供電能是較為理想的供電方式，推廣太陽能昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)本身就是一個推廣利用可再生能源、降低二氧化碳和其他有害氣體排放量的重要舉措。但是，有關優(yōu)化傳統(tǒng)茶園昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)結構，改善光伏系統(tǒng)配置，降低發(fā)電成本等方面的研究較少。基于此，筆者對茶園昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)進行適當改進，使光伏系統(tǒng)得到一定程度的優(yōu)化。

1 茶園昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)的結構及改進

1.1 典型的昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)

現(xiàn)在比較流行的昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)相當于一個普通的獨立光伏系統(tǒng)，其結構框圖如圖1 所示。系統(tǒng)中包含的主要元件有太陽電池板、控制器、蓄電池、逆變器以及昆蟲誘捕器。系統(tǒng)中，太陽電池負責把光能轉(zhuǎn)換成電能，蓄電池存儲太陽電池所轉(zhuǎn)換的電能，在晚上或陰雨天保障昆蟲誘捕器的正常工作，控制器則控制蓄電池的充放電，保證蓄電池不過度充電和放電，逆變器把控制器送達的電轉(zhuǎn)變?yōu)?20 V 的交流電，提供給昆蟲誘捕器使用[11-12]。一個典型的太陽能昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)如圖2 所示（圖片來源于網(wǎng)絡）。

圖1 昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)的結構

圖2 太陽能昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)

1.2 改進結構的昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)

為了在茶園中有效地對昆蟲進行誘捕，所需的昆蟲誘捕器較多，而且要合理分布。按照傳統(tǒng)的昆蟲誘捕器結構，每安裝一個昆蟲誘捕器都相當于安裝了一個小型獨立光伏系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個部件都不能缺少，因此造成了茶園投資成本的大幅度增加。為降低整個茶園昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)的總投資，可以將茶園昆蟲誘捕系統(tǒng)中的控制器、蓄電池以及逆變器集中在一起。換言之，就是整個茶園中所有的昆蟲誘捕器共用一個逆變器、一個控制器以及一個蓄電池，各個昆蟲誘捕器通過導線連接到逆變器上。集中蓄電池、逆變器和控制器后的昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)結構，如圖3 所示。這種結構中逆變器、控制器和蓄電池的安裝地點位于茶園中適當?shù)牡胤?。同時，為避免太陽電池板影響茶園中茶樹的生長，可以把太陽電池板安裝得相對集中，也可以把太陽電池板相對分散開安裝。如果茶園中有管理茶園的房子，太陽電池板還可以安裝在屋頂上。圖4 示意性地表達出整合了光伏系統(tǒng)中蓄電池、控制器和逆變器后整合部分和分散部分的一種布局，圖中用方框代表逆變器，圓圈代表昆蟲誘捕器，用一根線代表連接到各個昆蟲誘捕器的兩根導線。

圖3 集中蓄電池、逆變器和控制器后的昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)結構

圖4 整合光伏系統(tǒng)部件后逆變器和昆蟲誘捕器的一種布局示意圖

2 昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)改進后的優(yōu)勢

2.1 降低光伏系統(tǒng)主要部件的成本

茶園中采用一套逆變器、蓄電池和控制器的昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)結構，增加了逆變器上連接的昆蟲誘捕器的數(shù)量，從而增加了導線的數(shù)量和長度。但是昆蟲誘捕器屬于小功率用電器，所需要的導線較細，成本較低，在大面積誘捕昆蟲的情況下，整個茶園中逆變器、控制器和蓄電池數(shù)量會大幅減少，投資成本總體上得到降低。而且把獨立的小光伏系統(tǒng)中的蓄電池、控制器和逆變器集成后這些部件只相當于進行了容量的組合，并沒有對控制器提出更高的要求。有的實驗中用的每兩個誘捕器之間的距離約為35 m，導線的成本與光伏系統(tǒng)中的逆變器、蓄電池和控制器的總價格相比，降低了很多[13]。具體分析如下。

假設茶園需要100 個昆蟲誘捕器，每個誘捕器都利用獨立光伏系統(tǒng)供電時需要蓄電池電壓為12 V，容量為24 Ah，每個昆蟲誘捕器的功率為20 W。把蓄電池、控制器和逆變器集中，則改裝后蓄電池容量為2 400 Ah，控制器的控制功率為2 000 W，逆變器的標稱功率也是2 000 W。根據(jù)目前的市場價格，標稱電壓為12 V、容量為24 Ah 的小蓄電池，每1 Ah 的價格比同一廠家生產(chǎn)的相同電壓且容量為150 Ah 或更大容量的蓄電池高出至少5 元，所以把小蓄電池集中成容量為2 400 Ah 的大蓄電池后，蓄電池的價格將減少12 000 元。輸入電壓為12 V、功率為20 W 的控制器價格約為50 元一個，100 個的總價為5 000 元，集中成一個功率為2 000 W 的控制器時，這個控制器的價格約為1 500 元，所以集中控制器后總價減少約3 500 元。每個小型逆變器的價格在30 元以上，100個的總價約為3 000 元，用一個功率為2 000 W 的逆變器代替，則大功率逆變器的價格約為600 元，因此把分散的小逆變器集中成為一個大逆變器后價格減少約2 400 元。所以光伏系統(tǒng)集中蓄電池、控制器和逆變器之后這三個設備所減少的費用約為：

如果昆蟲誘捕器之間的導線采用橫截面直徑為1.5 mm 的銅導線，目前每100 m 導線的價格約為120元，每兩個誘捕器之間兩根導線所需要的成本在80元左右，100個昆蟲誘捕器所需要的導線價格約為8 000元。所以茶園昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)集成了蓄電池、控制器和逆變器而增加了導線后，總體節(jié)約設備成本約為：

由此可見，把分散的蓄電池、控制器和逆變器整合之后，至少在配件上成本已經(jīng)降低了。

每個昆蟲誘捕器都配備一套獨立光伏系統(tǒng)時，每個系統(tǒng)中太陽電池板的用量需要根據(jù)誘捕器的耗電量和當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)等來確定，其數(shù)值是固定的。系統(tǒng)整合后總的太陽電池板的容量沒有發(fā)生變化，但是每一塊太陽電池板的容量就比較靈活，這時可以利用功率合適的太陽電池板，因為同一廠家不同功率的太陽電池板單位功率價格不同，可以選擇價格低的太陽電池板來組合太陽電池板陣列，從而降低太陽電池板的投入成本。調(diào)整太陽電池板傾角能明顯增加太陽電池板所接收的太陽輻射量，從而增加太陽電池的發(fā)電量，而且一年之中調(diào)整的次數(shù)增加，太陽電池的發(fā)電量也增加[14-15]。如果把太陽電池板集中在一個區(qū)域，則茶園管理人員很快就能在小范圍內(nèi)完成太陽電池板傾角的調(diào)節(jié)，相比于給每個昆蟲誘捕器都配一套小型光伏系統(tǒng)提供電能的調(diào)節(jié)工作量將明顯降低。如果計算好每個月的最佳太陽電池板傾角及其輻射量，則每個月調(diào)整太陽電池板的情況下所需要的太陽電池板用量相對于固定傾角時將減少，有利于進一步降低昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)的成本。在安裝太陽電池板時，一部分太陽電池板可以安裝在屋頂，集成后的控制器、蓄電池和逆變器等可以安裝在屋內(nèi)，保障了系統(tǒng)的安全性。集成了昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)中的蓄電池、控制器及逆變器后，節(jié)省了多個獨立光伏系統(tǒng)單獨為昆蟲誘捕器供電時每個小光伏系統(tǒng)各個部件所需的連接導線，也節(jié)省了安裝每個獨立系統(tǒng)中各部分的勞動力成本，不用考慮每個獨立小系統(tǒng)中各個部件的安排，也使各個昆蟲誘捕器的安裝變得簡單。

2.2 提升光伏系統(tǒng)綜合利用的可行性

茶園中需要一定量的電動工具，例如整理茶樹之間雜草的電動割草機，修剪茶樹形狀的電動修剪機以及提高采茶效率的電動采茶機等。如果電動工具的電壓和光伏系統(tǒng)控制器電壓相匹配，電動工具就可以用光伏系統(tǒng)中太陽電池板所供給的直流電進行充電；如果電動工具是利用220 V 的交流電充電，那么把電動工具接到逆變器后端即可利用光伏系統(tǒng)給電動工具充電。集成了蓄電池、控制器和逆變器的昆蟲誘捕系統(tǒng)增加了電動工具及其他生活用電器后，蓄電池容量和太陽電池板的功率也需要相應增加。加入電動工具后的光伏系統(tǒng)如圖5 所示。整合分散的太陽電池、蓄電池、控制器及逆變器之后，再增加其他用電器時只需要把系統(tǒng)中這些部件的容量在設計系統(tǒng)參數(shù)時進行適當擴充即可，假如利用分散而獨立的小光伏系統(tǒng)為各個昆蟲誘捕器供電，當需要為茶園中的其他用電器供電時，就必須重新單獨設計一個光伏系統(tǒng)，就會增加成本。在病蟲害很少的季節(jié)里，手動調(diào)節(jié)太陽電池板的傾角后，太陽電池板仍然能產(chǎn)生較多的電能，如果茶園中有人值守，則太陽電池板所發(fā)出的電能可以提供給其他用電器使用。

圖5 加入電動工具后的光伏系統(tǒng)

3 結語

在茶園中結合昆蟲誘捕器和其他環(huán)保方法來防治蟲害，能夠減少農(nóng)藥的使用或者完全不用農(nóng)藥，利用光伏系統(tǒng)為昆蟲誘捕器提供電能也使昆蟲誘捕過程更加環(huán)保。將茶園中全部傳統(tǒng)的獨立昆蟲誘捕光伏系統(tǒng)進行整合，集中逆變器、蓄電池和控制器后，優(yōu)化了光伏系統(tǒng)結構，擴大了光伏系統(tǒng)使用范圍，明顯提高了能源的利用率，使太陽電池板規(guī)格的選擇更為靈活，降低了用電成本。如果昆蟲誘捕器之間的距離增加，那么光伏系統(tǒng)整合蓄電池、控制器和逆變器之后成本會增加，整合的優(yōu)勢有所降低。如果整個茶園中昆蟲誘捕器的數(shù)量不多，那么整合蓄電池、逆變器和控制器前后的成本變化不明顯。