利用重力势能实现单轴追踪的综合农业光伏系统

摘要

本发明涉及光伏领域，公开了一种利用重力势能实现单轴追踪的综合农业光伏系统，包括至少一个蓄水塔，用于储存由光伏水泵抽取的地下水；光伏水泵，用于抽取地下水并储存在蓄水塔中；光伏模块，包括竖立在地面上的立柱、以可转动方式设置在立柱上端的支架、与支架固定连接且用于为光伏水泵和电网供电的太阳能板、分别设置在太阳能板两侧的第一水箱和第二水箱，以及沟槽型匀光玻璃板；所述第一水箱和第二水箱与蓄水塔连通；分布式重力滴灌模块，与第一水箱和第二水箱连通并以滴灌方式灌溉光伏模块下方的农作物；通过改变第一水箱、第二水箱内的水量比例来改变太阳能板的倾角，使太阳能板所在平面始终正对太阳光入射方向。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏领域，具体涉及一种利用重力势能实现单轴追踪的综合农业光伏系统。

背景技术

(1)单轴光伏系统成本高，难以普及：单轴追踪光伏系统能够实时跟踪太阳，使太阳光直射太阳能板，从而增加太阳能板接收到的太阳辐射量，提高光伏发电系统的总体发电量。现有的单轴追踪光伏系统依赖回转减速器或电机驱动，结构相对复杂，初期建设投入成本高，稳定性差，后期维护成本高，且实现单轴追踪需要耗费电能。

(2)农业用水浪费严重，水资源利用率低：中国农业用水量占2019年全年用水总量的61.2％，农业耗水量占全国耗水总量的74.6％，耗水率64.8％，农田灌溉水有效利用系数仅为0.559，水资源利用率低，且浪费严重；此数据详见水利部发布的《2019年中国水资源公报》，滴灌可以将水资源利用率提高到近95％，能够节约水资源。

(3)农业劳动生产率低，需要科技创新赋能：中国农业劳动生产率发展迟缓且远低于高收入国家和发达国家，约为美国和日本的1％，需要高科技的赋能，以提高生产力。农业光伏是将农业与新能源结合的重要方式，但当前的主要方式造成了严重的农作物生长与光伏发电争光，使农作物减产严重，因此国家立刻出台文件禁止光伏用地侵占农业用地，保证基本耕地健康发展。

本发明提供一种利用重力势能实现单轴追踪的综合农业光伏系统，同时解决了以上三个棘手问题，相比于其他常见的农业光伏系统，沟槽型匀光玻璃板的引入使农作物不减产，利用滴灌灌溉的同时实现了光伏的单轴追踪，进一步提高了10％～20％的发电量，将农业灌溉用水的利用率提升到95％，高效节水，此外单轴追踪和滴灌的实现无需消耗电网中的电力，结构简单，能源自持。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种利用重力势能实现单轴追踪的综合农业光伏系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种利用重力势能实现单轴追踪的综合农业光伏系统，能够在仅依靠太阳能的情况下实现系统的持续运转，包括，

至少一个蓄水塔，用于储存由光伏水泵抽取的地下水；

光伏水泵，用于抽取地下水并储存在蓄水塔中；

光伏模块，包括竖立在地面上的立柱、以可转动方式设置在立柱上端的支架、与支架固定连接且用于为光伏水泵和电网供电的太阳能板、分别设置在太阳能板两侧的第一水箱和第二水箱，以及能够将入射的太阳光均匀分散到农作物表面的沟槽型匀光玻璃板；所述第一水箱和第二水箱与蓄水塔连通；

分布式重力滴灌模块，设置在光伏模块下方，与第一水箱和第二水箱连通并以滴灌方式灌溉光伏模块下方的农作物；

通过改变第一水箱、第二水箱内的水量比例来改变太阳能板的倾角，使太阳能板所在平面始终正对太阳光入射方向。

进一步地，所述太阳能板与沟槽型匀光玻璃板共平面固定连接，且位于沟槽型匀光玻璃板两侧。

进一步地，包括与蓄水塔连通且位于太阳能板、沟槽型匀光玻璃板表面的排水孔；所述排水孔内排出的水能够清除太阳能板、沟槽型匀光玻璃板表面的灰尘。

进一步地，包括转轴、固设在转轴上的转轴阻尼缓冲器，以及固设在立柱上端且能够限制太阳能板最大倾角的滑动限位套环；所述支架与立柱的上端通过转轴连接。

进一步地，所述立柱的内部中空；所述农业光伏系统包括设置在立柱内部的进水管和出水管；所述第一水箱、第二水箱通过进水管与蓄水塔连通，且通过出水管与分布式重力滴灌模块连通。

进一步地，包括设置在转轴上的倾角传感器、设置在进水管上的进水电磁阀、设置在出水管上的出水电磁阀以及控制系统；所述控制系统与倾角传感器、光伏水泵、进水电磁阀、出水电磁阀进行信号连接。

进一步地，包括与太阳能板电连接的光伏逆变器、设置在蓄水塔内的水位传感器、蓄水塔进水管以及设置在蓄水塔进水管上的蓄水电磁阀；所述蓄水塔与光伏水泵通过蓄水塔进水管连通；所述光伏逆变器、水位传感器、蓄水塔进水管均与控制系统进行信号连接。

进一步地，所述第一水箱、第二水箱分别位于支架两侧，当综合农业光伏系统整体固设在农田上时，所述第一水箱位于支架的东侧，第二水箱位于支架的西侧。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

1.本发明所述的综合农业光伏系统通过蓄水塔储存水量，即以水势能的形式存储太阳能，通过预埋管道或铺设的供水管将存水供给光伏模块的水箱，实现农业灌溉、单轴追日、太阳能板自清洁，可在近乎百分之百光伏能源供应的前提下形成一个独立稳定运行的可以实现电能、生活用水、农牧业用水供给，农作物种植的绿色生态农业系统。该系统在增加土地利用率，显著增加农民收入，大幅降低农业灌溉用水的同时，大幅降低碳排放，帮助土地恢复生产力；并利用两个水箱的重力变化实现太阳能板的单轴追日和农作物的自动滴灌，节约水资源；沟槽型匀光玻璃板，使种植在光伏组件下方的农作物能接收到分布均匀、强度足够的散射光，不会因光伏组件的遮荫降低农作物产量和品质。

2.通过排水孔实现光伏组件和玻璃板自清洁，使光伏组件持续高效运行，匀光玻璃板保持高透光率。

附图说明

图1为本发明综合农业光伏系统整体的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明平单轴光伏模块的结构示意图；

图4为本发明平单轴光伏模块排水孔的位置示意图；

图5为本发明斜单轴光伏模块的结构示意图；

图6为本发明斜单轴光伏模块排水孔的位置示意图；

图7为本发明综合农业光伏系统整体的结构框图；

图8为本发明部分功能闭环控制的工作流程图；

图9为本发明太阳能板倾角变化原理的示意图；

图10为本发明扇形板及扇形板上圆孔的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

如图1、2、3、5所示，综合农业光伏系统包括：蓄水塔10、光伏水泵30、分布式重力滴灌模块40、光伏逆变器、控制系统、光伏模块，其中该光伏模块包括常规的太阳能板22、沟槽型匀光玻璃板21、中空的立柱25、第一水箱272、第二水箱271、倾角传感器、滑动限位套环、转轴阻尼缓冲器261。

根据该系统具体的使用地区不同，将光伏模块设计为平单轴光伏模块和斜单轴光伏模块；平单轴光伏模块适用于低纬度地区，一般为纬度40°以下地区；斜单轴光伏模块适用于中高纬度地区，一般为纬度40°以上地区；上述对低纬度、高纬度的定义仅为示例型描述，对本发明的保护范围不构成限制性条件。

所述蓄水塔用于储存由光伏水泵抽取的地下水，每个综合农业光伏系统按需配备一个或两个以上的蓄水塔，蓄水塔的蓄水量至少满足一周的农牧业及生活用水需求。

所述光伏水泵用于抽取地下水，储存在蓄水塔中。

所述分布式重力滴灌模块设置在光伏模块下方，使用第一水箱和第二水箱中的存水给光伏模块下方种植的农作物补充生长所需用水，相比喷灌节水35％-75％，水的利用率高达95％。

所述光伏逆变器连接着光伏模块，将光伏发电转换为交流电，提供给农户日常使用或并入电网余电销售。

太阳能板也称光伏组件，其与沟槽型匀光玻璃板共平面设置。沟槽型玻璃板经过光学设计优化，可以将入射的太阳光均匀分散成三部分为组件下方种植的农作物提供均匀且强度足够的散射光，不会因光伏组件的遮荫降低农作物的产量和品质；经过多次实验测量，在相同的阳光状态下，加装沟槽型匀光玻璃板的农业光伏系统每天获得的累计阳光辐照量比传统的农业光伏系统多约50％；以常见的农作物进行测试，减产不超过5％。

所述控制系统处理各个传感器回传的信号，对当前情况进行判断，给各个开关、电磁阀、继电器发送控制指令，保证整个系统的稳定自动运行，是闭环控制系统的核心；其中所述控制系统连接着倾角传感器和水位传感器，处理倾角传感器和水位传感器传输来的信号，控制电磁阀的开关，通过第一水箱和第二水箱的重量调控光伏模块的倾角，实现单轴追日，并通过蓄水塔为第一水箱和第二水箱补水。

所述光伏模块立于农田上方，中空的立柱下通过预埋的管道或铺设的进水管23与蓄水塔相连，能够给第一水箱和第二水箱补充水量。带有转轴26的光伏支架为太阳能板和沟槽型匀光玻璃板提供支撑，转轴结构配合两个水箱的重量变化可实现单轴追踪；第一水箱位于光伏模块的东侧，第二水箱位于光伏模块的西侧，光伏组件和沟槽型匀光玻璃板表面设有排水孔28，通过排水孔出水冲洗光伏组件和沟槽型匀光玻璃板的表面，保证太阳能板表面的光伏玻璃和沟槽型匀光玻璃板有高的透光率，使太阳能板能够高效发电，同时使综合农业光伏系统下方的农作物能够接收到强度足够高的阳光。

如图4和6所示，平单轴光伏模块的排水孔位于太阳能板和沟槽型匀光玻璃板表面且靠近第二水箱的一侧，斜单轴光伏模块的排水孔位于太阳能板和沟槽型匀光玻璃板表面的上端。

第一水箱和第二水箱下方分别通过出水管24连接分布式重力滴灌模块，通过打开或关闭出水电磁阀以及控制滴灌的流速、流量，同样能够改变第一水箱和第二水箱的重量，结合转轴阻尼缓冲器共同改变光伏组件两侧的力矩，改变光伏组件的倾角。

太阳能板转动时的流程如下：

在控制系统中首先预设太阳能板在全天时间内需要转过的角度范围，且倾角的每次变化的角度间隔为θ°；其次将太阳能板倾角与具体的时刻相对应，而且每经过一段时间，太阳能板倾角改变一次。

如图9所示，太阳能板倾角的变化依靠两个水箱的重力、转轴阻尼缓冲器中弹簧阻尼的弹力共同作用在转轴上得以实现，其基本的原理公式为：

G2·cosΔθ＝G1·cosΔθ±k·Δθ。

转轴上固定安装有扇形板50，扇形板的下部沿弧线方向开设有多个圆孔。太阳能板倾角改变一次的流程为：在初始状态下，转轴阻尼缓冲器中的插销穿过扇形板下部的N号圆孔，由于扇形板和转轴之间是固定连接的，从而使得太阳能板保持固定状态，无法进行转动。一段时间后，需要太阳能板的倾角改变θ°时，控制系统给电磁铁通电将插销从扇形板的圆孔中抽出，因太阳能板两侧水箱的重量不同，在插销从与圆孔中抽出后倾角开始缓慢变化，通过倾角传感器判断倾角改变量，当倾角满足既定的单次倾角改变量时，控制系统将电磁铁断电，在弹簧的作用下插销穿过N+1号圆孔归位，同时锁定当前的太阳能板倾角。以此类推，完成全天的倾角改变。

如图10所示，以每次改变10°倾角，每隔1小时改变一次倾角举例，扇形板下共开设13个圆孔，每天由早6点开始单轴追日至晚6点结束。从早上6点开始，插销穿过扇形板的1号圆孔51，经过一个小时，通过上述流程改变一次太阳能板的倾角，此时插销穿过扇形板的2号圆孔52。依次类推，每经过一个小时，太阳能板的倾角改变10°，插销穿过的圆孔号码数值增加1，至晚上6点，插销穿过扇形板的13号圆孔513。在夜晚的情况下，需要太阳能板的倾角反向变化并返回最初始的状态，则此时每经过1个小时，插销穿过的圆孔号码数值减少1，至隔天早上6点，插销穿过扇形板的1号圆孔。

图10中，扇形板结构位于转轴阻尼缓冲器内部，为清晰展示和方便描述之目的，特将本图中的扇形板结构画在了外部。扇形板圆孔与插销配合对倾角进行控制的技术方案，只是实现倾角调控一种具体方式，类似的以齿轮咬合、夹片固定的方式均可实现此目的，在此专利中不再具体说明。

分布式重力滴灌模块的流量和流速受到倾角传感器的反馈信号调控，按照既定的追日算法通过水的重量配比调节最适的光伏组件倾角。立柱上方安装有滑动限位套环，可以限制光伏组件的最大倾角，转轴阻尼缓冲器可以防止突然的大风使太阳能板倾角突变。

如图7、8所示，本发明为解决背景技术所涉及的问题，还提供了一种无需引入外部能源的综合农业光伏系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)：光伏水泵负责给蓄水塔抽运地下水。当蓄水塔水位下降到警戒值时，光伏逆变器断开，太阳能板给光伏水泵供能，由光伏水泵抽运地下水，给蓄水塔补充水量，当蓄水塔水位达到要求时，停止抽水，光伏水泵停止工作，光伏组件继续将发的电通过光伏逆变器供给农户日常使用或输送给电网；

(2)：蓄水塔中的水具有较大重力势能，可以通过预埋管道或铺设的进水管与第一水箱和第二水箱连通，给光伏模块的水箱补充水，每天水箱的补水可设定在日落后至次日的日出前，每日水箱补水完成后打开排水孔，冲洗太阳能板面和沟槽型匀光玻璃板表面的灰尘；

(3)：每日农作物的滴灌和光伏组件的单轴追踪同时进行。清晨时，第一水箱内的存水多于第二水箱，因此光伏组件整体朝东；在一天中，白天通过第一水箱的存水供给分布式重力滴灌模块，随着第一水箱水量的减少，光伏组件倾角随着太阳方位角的变化逐渐朝西，实现整个白天的单轴追日。在夜间，由第二水箱的存水供给分布式重力滴灌模块，随着第二水箱中存水重量减少，整个光伏组件的倾角逐渐归于水平。而后打开进水电磁阀，统一给两个水箱补水，回归初始状态，即光伏组件朝东；在全天的倾角变化中，倾角传感器监测角度与所设定值的偏差，通过动态控制第一水箱或第二水箱接入分布式重力滴灌模块实现对倾角的微调。每天通过蓄水塔给第一水箱和第二水箱补水，因蓄水塔位置高，所以补水时不需要额外提供能量驱动。

(4)：第一水箱和第二水箱内也设置有水位传感器，如遇到阳光强烈的天气，蒸发量过大，第一水箱和第二水箱的存水不能满足一天的追日和灌溉时，通过对水位的监控，将及时通过蓄水塔给第一水箱和第二水箱补充水量；

(5)：如遇到阴雨天气，则无需光伏组件进行追日，控制系统将通过调配两个水箱的存水量，使整个系统处于水平状态；

(6)：如农作物已灌溉充足，无需进行灌溉时，则控制系统将通过调配两个水箱的存水量，使整个系统处于水平状态。

以上流程形成农业灌溉、单轴追日、水量补充和太阳能板自清洁的日循环。

本发明所提出的综合农业光伏系统适用于干旱、高热、少雨等极端气候或半荒漠地区。可以实现上述极端气候地区或荒漠地区的农作物种植，帮助恢复土地生产力，改善土地荒漠化程度，改善该地区农民的生活状态，该系统的能源供应完全取自太阳能，可再生能源使用率近乎百分之百，可实现能源自持，能够为未通电地区的居民实现电能、生活用水和农牧业用水的供应。光伏系统的发电除自用外，还可并入电网中出售，增加农户的营收。

此外，该系统也适用于常见的中低纬度地区，对比现存的农业光伏系统，具有如下优势：单轴追踪每年提升发电量约20％～30％；能够实现同一块土地上同时进行光伏发电和农作物生产，农作物的产量和品质不会受光伏组件遮荫影响；系统具有太阳能板和沟槽型匀光玻璃板自清洁功能，避免积灰引起的发电量和玻璃透光率下降；能实现自动化的滴灌，节约水资源；满足附近居民生活用水或其他农牧业用水需求。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。