专利名称：一种基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光伏发电温室的设计方法和调控领域，尤其是涉及一种光伏温室太阳能分配方法。
背景技术：
目前，全球经济发展导致的诸多环保问题已成为世界关注的焦点，同时作为最重要能源物质的煤炭、石油、天然气等可利用化石能源终将面临枯竭，开发可再生替代能源已势在必行。在核能面临安全危机、生物质能遭遇粮食安全等情况下，太阳能发展作为新能源产业突出的地位，因此既能实现太阳能发电，又能保证粮食和农产品安全供应的光伏温室必将具有重要的发展前景。既可在保证种植生产效果的同时，充分利用到太阳能这一取之不尽的可再生能源，无论是对温室园艺产业，还是对全人类的生存环境都具有非常重要的意义。
为了提高输出效率和降低发电成本，光伏温室发展的关键技术问题是如何协调分配温室内作物生长和光伏发电对太阳光照的需求。实现满足作物生长的情况下，实现光伏发电效率的最大化，而其中温室屋面光伏面板的布局与调控设计是解决这个问题的关键。因此本发明基于温室作物的光照需求模型、光伏电池等效数学模型和作物冠层的光环境数学模型，并结合优化算法对光伏温室电池阵列进行设计和调控，实现满足温室作物生长条件下光伏电池最大发电量的太阳能能量合理分配。
因此研究不同光伏电池阵列面积、布局和角度等对温室内光环境的影响基本规律分析，是有助于协调分配温室内作物生长和光伏发电对太阳光照的需求。实现温室内光分布的均匀度，有利于室内所有作物的正常生长，也有利于光伏发电的效率最高。因此温室屋面光伏面板阵列的合理设计对于光伏温室的研制与开发具有非常重要的意义。
研究光伏温室发电电池阵列设计与调控方法主要有试验设计方法和数学模型模拟方法。试验设计方法比较简单、直观、有效，缺点是投资大，周期长且优化设计困难。数学模拟投资小、易计算，可以对试验方法无法实现的特殊条件或复杂状态进行模拟及相关状态转换处理，但必须根据实际研究对象特征进行修正才能使其有效性得到保证。
光伏温室由于要试验各种气候条件下的实验数据，务必试验周期较长。如果在设计不成熟的情况下进行现场施工与试验，会造成较大的作物等经济损失，且容易造成反复返工等问题。因此，采用数学模拟方法在设计光伏温室面板阵列，并在保证作物生长的条件下，对温室面板阵列设计与调控进行优化设计，确保光伏温室电池阵列设计的科学合理性。发明内容
为了克服现有无法实现温室光伏发电和作物生长以及能量有效调控的技术问题，本发明提供一种有效实现温室光伏发电和作物生长、能量有效调控的基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法及其装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法，所述分配方法包括以下步骤
I)建立基于温室作物的光照需求模型、光伏电池等效数学模型和作物冠层的光环境数学模型，其中，
所述光伏电池等效数学模型和基于温室作物的光照需求模型由下列物理模型表示:在温室作物单叶气孔阻力rs，忽略CO2浓度的微小影响，采用湿度因素和阻止在设定的叶温度下增加气孔阻力，得出的关系如下:
权利要求
1.一种基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法，其特征在于:所述分配方法包括以下步骤: 1)建立基于温室作物的光照需求模型、光伏电池等效数学模型和作物冠层的光环境数学模型，其中， 所述光伏电池等效数学模型和基于温室作物的光照需求模型由下列物理模型表示:在温室作物单叶气孔阻力rs，忽略CO2浓度的微小影响，采用湿度因素和阻止在设定的叶温度下增加气孔阻力，得出的关系如下:
2.如权利要求1所述的一种基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法，其特征在于:所述步骤2)中，优化算法为遗传算法，根据建立模型的约束条件，采用遗传算法优化布局和面积参数，优化参数优化参数温室开间边界与第一块电池面板和第二块电池面板的距离xl、x2,电池面板与温室屋脊的距离y，每块电池面板的长度a，宽度b，优化过程步骤如下: 2.1)初始化后xl、x2、y、a、b参数群体,每个参数随机生成η个个体作为初始群体P (O),设置最大进化代数T ； .2.2)计算种群适应度值，并判断种群最优解是否满足设置值； .2.3)若满足，直接输出最优结果； .2.4)若不满足:程序对初始种群各个的适应度值进行排序，根据排序的结果选择粒子，对优秀粒子直接遗传，对在进行交叉和变异运算，产生新的种群； .2.5)然后，计算新种群判断是否满足设置值，或达到最大迭代次数T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，终止计算。若满足直接得出最优结果，若不满足进入下次循环，如此循环运行，最终得出最优xl，x2, y, a，b结果，从而实现温室光伏面板阵列的优化设计。
3.一种用于实现如权利要求1所述的基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法的装置，其特征在于:所述装置包括角度调节传动机构，所述温室屋顶光伏阵列的电池面板连接角度调节传动机构，所述角度调节传动机构由减速电机、连接轴、主动齿轮，直行齿条、从动齿轮、旋转轴、支撑轴承、滑动轴承、齿轮-弧形齿条、滚动滑轮、环境传感器、与控制执行系统组成，齿轮-直行齿条，齿轮-弧形齿条连接部都有定位销和齿条长度调整紧固螺母组成，在直行齿轮齿条的下面设置可易于使齿条滑动并提供支撑面的滚轮。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于:根据由于电池面板在转动过程中弧形齿条的空间位置变化，通过分段圆弧的转速跟不同直径直径的换算，从O度到最大角度可分为3个阶段，每个阶段的运行时间与全部开启时间和3个不同直径的关系如下:
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于:所述温室屋顶光伏阵列与控制执行系统连接，所述控制执行系统由信号采集器、嵌入式计算机、继电器信号输出器、减速电机组成； 所述的信号采集器，接收室内外光照、温湿度传感器数据，并进行预处理操作后上传至嵌入式计算机； 所述的嵌入式计算机，为温室光伏发电和环境控制的核心，接收数据采集器上传的数字室内外光照、温湿度等信号，识别当前的环境、光照状态，并向继电器信号输出器发出相应的控制指令； 所述的继电器信号输出器，接收嵌入式计算机发出的控制指令，产生对应的强电信号，完成光伏电池面板减速电机的驱动； 所述的减速电机通过两级齿轮齿条控制机构与光伏面板相连，根据计算机发出的指令，完成光伏面板的开度调节。
全文摘要
一种基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法，首先建立基于温室作物的光照需求模型、光伏电池等效数学模型和作物冠层的光环境数学模型，建立多参数、多变量、非线性耦合对时间微分方程，通过微分方程的求解实现不同光照强度、光照角度和温度条件下，利用优化算法对光伏温室电池阵列进行设计和调控，实现满足温室作物生长条件下光伏电池最大发电量的太阳能能量合理分配。以及提供一种实现基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法的装置。本发明提供一种有效实现温室光伏发电和作物生长、能量有效调控的基于作物生长模式的光伏温室太阳能分配方法及其装置。
文档编号G05D3/12GK103163904SQ201310024320
公开日2013年6月19日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者陈教料, 胥芳, 张立彬, 谭大鹏, 艾青林 申请人:浙江工业大学