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太阳能杀虫灯的控制方法原理先容

来源:/ 更新时间:2012-12-13 阅览9437次

0 引言
      长期以来,为了保护农作物免遭害虫的侵扰,广泛地使用化学农药。然而,化学农药的滥用,导致农作物农药残留严重超标,影响了人体健康,造成了环境污染。探索农作物害虫防治新技术,减少化学农药使用量,生产无公害农产品,引起了研究者的关注。上世纪末,人们研究采用物理方法进行害虫防治,即利用昆虫的趋光、色、味、性等特性来诱杀害虫。其中以利用昆虫的趋光性的杀虫灯诱杀害虫技术研究的最早,技术也最成熟。灯具设定害虫喜爱的波长和强度,将害虫引诱到灯具附近,发生复眼效应而炫目扑灯,利用高压、药物、水淹等方式将害虫杀死,一般来讲,高压电击效果最佳。在田间布置杀虫灯,需铺设输电线路并消耗大量电能增加了农业生产成本。而太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源旧J,并无需输送,不会污染环境。文章提出了太阳能杀虫灯的结构,设计了充放电控制电路和逆变器电路,可以用于农田防治害虫。
1 太阳能杀虫灯系统组成

图1  太阳能杀虫装置原理图
      图1为太阳能杀虫装置原理图。光伏阵列将太阳辐射能量转换为电能,并将电能储存人蓄电池组以供夜间使用。充放控制电路用于对蓄电池的充电和放电实行控制。逆变器把蓄电池组的直流电变换为交流电,给杀虫灯具供电。高压包实现升压馈送高压电网。
       灯具用于引诱害虫,高压电网用于击毙害虫。杀虫灯具有多种,如白炽灯、黑光灯、高压汞灯、频振式杀虫灯、纳米灯、双波诱虫灯等。通过对比,选择黑光灯作为诱虫灯具。黑光灯外形与普通日光灯相似,其灯光内壁涂有能发生特殊波长的荧光粉,发射的紫外光对人畜无危害。但亮度低、照度小,故称“黑光灯”。黑光灯发出光主要成分为365 nm波长的光,能够引诱许多种昆虫,例如棉铃虫、地老虎、金刚钻、玉米螟、造桥虫、甜菜夜蛾、甘薯天蛾、蝼蛄、金龟子等多种粮、棉、蔬、果害虫,是一种比较理想的诱虫光源。
2光伏发电系统容量设计
      半导体在吸取光能后,其内部传导电流的载流子分布和浓度发生变化,由此产生电流和电动势,即光生伏打效应。光伏电池单体是光电转换的最小单元,尺寸一般为4—10 ClTl2。太阳能电池单体工作电压约为0.45~0.50V,工作电流约为20一25mA/cm2,一般不能单独作为电源使用,将太阳能电池单体串并联封装后,就成为光伏电池组件H引。光伏电池单体串联得到所需工作电压,并联得到所需工作电流。
光伏组件串联数:

光伏组件串联数(1)
式中:uf,为蓄电池浮充电压,ud为二极管降压‰为其他因素引起的降压。光伏单体最佳工作电压。
光伏组件并联数:

光伏组件并联数(2)
式中:E,为负载每日所需电量/(Ah),E,为光伏组件日产电量/(Ah)。
而光伏组件日产电量

光伏组件日产电量
式中:光伏组件最佳工作电流,如为斜面修正系数,C:为组合修正系数(由衰减、灰尘、充电效率等引起),Ⅳ为太阳能日辐射时数。
设某地区年平均日辐射量为14 356 kJ/m2,光伏阵列倾角为45。,斜面修正系数为Kop=1.069 2。主负载为25w杀虫灯具,每天工作4 h。通过计算,最终选择光伏电池组件标准功率40 w,最佳工作电压17.1V,最佳工作电流为2.34 A。蓄电池采用铅酸免维护蓄电池,标称电压为12V,额定容量为40 Ah。
3充放电控制
3.1 蓄电池的充放电控制
      由铅酸蓄电池充电特性可知,当充电到门限电压时,表明蓄电池已经充满,充电应结束。否则,会出现两极析氢、氧的水分解反应,使蓄电池损坏。当放电时,当放电电压达到放电终止电压时,应停止放电。否则,蓄电池会产生不可逆转永久性损坏。防止蓄电池的过充过放由控制系统实现。控制系统设置电压采集电路。蓄电池端电压经分压电路分压后被A/D转换器采集,采集的电压值与单片机内的上下限电压值比较,以确定充电极限和放电极限,控制相应开关电路进行切换。
3.2光伏阵列保护
      光伏阵列内部,在每个光伏组件旁并联二极管D。若干光伏组件串联后,串联二极管D:。当某光伏组件或某串光伏组件出现遮挡或故障时,二极管职、D:防止组件消耗能量或影响其他组件的能量输出。光伏阵列外部,在蓄电池与光伏阵列间串联防反充二极管D1,防止夜间或某些原因光伏阵列电压低于蓄电池电压时,蓄电池向光伏阵列反充电,消耗蓄电池能量,并导致光伏阵列发热。
光伏阵列保护电路如图2所示。
3.3最大功率跟踪控制
      最大功率跟踪(MPPT)的目的是将光伏阵列产生的电能及时,高效地提供给负载。MP门是一个自动寻优过程跟踪原理。对光伏阵列的电压和电流采样,通过乘法器,得到阵列的瞬时功率,与记忆功率相比较,来调节控制器的PWM输出信号的占空比。实时调节光伏阵列的功率输出,达到功率的最大跟踪阳。太阳能杀虫装置一般在40 W左右,采用了简化算法来实现光伏阵列最大功率跟踪。比较前后2次采样电流之差的绝对值。若在一个偏差范围占内,且电流增大了,表示光伏阵列发电量增加,则增大一个AD,让光伏阵列先储能。若2次采样电流值之差的绝对值超过了8值。则判断2次计算功率值来决定增加和减少占空比,达到寻优目的。
3.4充放电控制系统设计单

图3 太阳能杀虫装置充放电控制系统原理图
      图3为太阳能杀虫灯充放电控制系统硬件原理图。系统由单片机AT89C2051,A/D采集模块,时钟模块,状态显示及充放电控制电路组成。由A/D转换芯片ADC0834采集光伏阵列与蓄电池电压。把需采集的电流信号经电阻转变为电压信号也由ADC0834采集。温度传感器DSl8820采集温度以对充电过程实行温度补偿。时钟DSl3820实现对充放电的时间控制。选择大电流通断能力的MOSFET场效应管作开关蜀,砭控制蓄电池的充放电0I。

图4  脉宽控制(PMW)电路
      图4为脉宽控制电路。通过控制三极管瓦来控制场效应管Q。的通断,实现光伏阵列对蓄电池充电的通与断。当从单片机AT89C2051引出的控制端Pin.ok为低电平时,三极管F处于截止状态,R。从12 V分压在场效应管Q,栅极G上,使场效应管处于工作状态,且电感L和二极管D也导通。反之,当单片机Pin—ok为高电平,三极管导通,场效应管则截止,充电被关断。电感£通过二极管D向蓄电池放电。通过三极管与场效应管的组合实现了小电流控制大电流的通断。
4逆变电路
      光伏阵列及蓄电池提供的为直流电,而杀虫灯具作为用电负载需要交流电。逆变器便是通过半导体功率开关的通断控制将直流电变换为交流电。太阳能杀虫装置是独立光伏发电系统,故采用无缘、单相、工频式逆变器。
      本系统采用2极变换,即DC/AC逆变。首先由DC/DC变换将DCl2 V电压变换为DC280 V电压,然后由DC/AC变换以正弦波逆变方式,将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220 V的正弦波电压。再经厶C工频滤波得到有效值为220 V,50 Hz交流电压,给太阳能虫情测报灯供电。图5为正弦波逆变器组成原理图。

图5  正弦波逆变器组成原理图
      DC/DC变换器由推挽逆变电路、高频变压器、整流电路和光电隔离驱动电路组成。SG3525产生一定频率PWM方波,经光电给驱动电路,驱动推挽式MOSFET场效应开关管栅极G。与G:,将蓄电池的直流变成高频电流。经变压器升压至高压,再经整流器将交流整流为直流。滤波器用于滤去整流后的高次谐波。DC/AC逆变电路的控制信号以SPWM方式控制功率管的开关,得到脉冲方波输出,经滤波后得到正弦波输出。ICL8038产生正弦波,经移相、全波整流、增幅后得到按正弦规律变化的馒头波,加在SG3525的引脚2上。与SG3525的内部锯齿波相比较,得到正弦脉宽调制波。该调制波与分相电路一起控制场效应管的开关状态,再经低通滤得到较大功率的正弦波。
5结语
      本文提出了太阳能杀虫灯的结构,做了基本的充放电实验,并在某地区田间进行了灭虫试验,试验表明本文提出的杀虫装置是有效的。该装置需进一步加强防雨水设计,以期实际应用。

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