一种大田农作物全生长周期的光照管理系统

1.本发明属于农作物智能管理技术领域，具体涉及一种大田农作物全生长周期的光照管理系统。


背景技术：

2.随着科技的进步和对于光合作用的研究深入，大田农作物光照管理已经变得越来越具有可行性；因为阳光光强变化，各种农作物的光合作用效率在一天时间中也在变化。光强超过农作物的光饱和点时，光合作用效率逐渐下降，在中午11：00～14：00时段，光强远远超过大部分农作物的光饱和点，作物处于光抑制状态，出现光合“午休”现象；如果能够实现光照强度按照光合作用效率调控，农作物产量和品质有望大幅提升；再将多余的光照用于光伏发电，又可以大幅提升单位土地的经济收益。
3.关于光伏发电兼容农作物种植，近十年来，光伏产业发展迅猛，光伏的安装需要占用很多空间，光伏和农业结合也越来越受到重视，由于光伏比农业的单位占地面积上的投资回报高很多，光伏企业往往前期更加注重光伏的收益，让更多的太阳光去发电，植物生长的太阳光往往放到次要位置或者被忽视，这也导致植物无法正常生长，因此二者结合起来的效益并不高。
4.目前光伏产业95%以上的光伏片都是基于晶硅组件，晶硅组件和农业的结合，已经有应用的案例。有的早期直接铺在地面上，严重影响作物生长；有的在地面架高2米以上，让更多杂散光照到地面；有的镂空部分光伏板，形成马赛克的阵列；有的加入匀光板，形成低光照的匀光光照环境。不同的方案，在逐步的提升光伏板下农作物的光照比重。但上述方案在实际应用时会存在以下问题：光伏板安装后，光照就基本上相对固定，光照是不可调整的。在同一片土地上，对于连续大晴天、阴雨天，光照情况是不同的；对于同一片土地不同季节不同茬口的作物，光照需求也不同；对于作物的不同生长阶段，光照强度是需要调整的；例如小麦在拔节期pn 呈现先升高后降低再升高又下降变化趋势，一般是9:00-11:00达到最大值，然后开始下降，3:00-5:00又稍微升高，呈现双峰曲线的趋势，出现光合“午休”的现象；而开花期呈现先升高后降低的单峰趋势。现有技术中，对光照不能做到每日可调，而且加装光伏后最大光照强度也是相对固定，对于某些特定农作物一年之中特别需要强光照的一段时间，若光照强度上不去，将会严重影响产量和品质。


技术实现要素：

5.本发明的目的就在于提供一种大田农作物全生长周期的光照管理系统，以解决背景技术中提出的传统农业光伏应用中农作物光照不足、光伏板发电效率低以及二者难以协调的问题。
6.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种大田农作物全生长周期的光照管理系统，包括气象站，实时采集气象数据，所述气象数据包括ppfd数据、温度数据、湿度数据、风
力数据、雨量数据和大气压力数据；智能控制器，接收气象站实时发送的所述气象数据，通过与预先存储的气象数据控制模型进行匹配分析，以形成控制数据；追踪式光伏系统，接收所述控制数据来调整所述追踪式光伏系统中光伏板角度以实现光照管理；其中，所述气象数据控制模型包括预先设置风力大小、雨水大小以及光照强度因素模式下的控制模型，并形成基于风力大小、雨水大小以及光照强度下的光伏板角度调节的控制数据。
7.作为本发明的进一步优化方案，所述气象站包括用于实时采集ppfd数据的par测量仪、用于采集实时温度温度计、采集并判断空气中的湿度与降水强度的雨量与湿度传感器、用于判断风力的级数和风向的风力风向传感器以及大气压力传感器。
8.作为本发明的进一步优化方案，通过与预先存储的气象数据控制模型进行匹配分析，以形成控制数据的过程，具体包括，将所述气象数据输入至预先存储的气象数据控制模型中进行匹配，若气象数据中的风力数值大于第一预设值，则输出光伏板角度调节的第一控制数据，否则，判断所述气象数据中的雨水数值是否大于第二预设值，若是，则输出光伏板角度调节的第二控制数据，否则，将所述气象数据中ppfd数据与标准数据库进行对比，若ppfd的数值小于标准数据库中的抑制光合作用的ppfd值，则输出光伏板角度调节的第三控制数据，若ppfd的数值大于标准数据库中的抑制光合作用的ppfd值，则输出光伏板角度调节的第四控制数据。
9.作为本发明的进一步优化方案，当接收到第一控制数据时，所述输出模块输出调整光伏板与风向平行指令至追踪式光伏系统中；当接收到第二控制数据时，所述输出模块输出调整光伏板与地面垂直指令至追踪式光伏系统中；当接收到第三控制数据时,所述输出模块输出调整光伏板与阳光平行指令至追踪式光伏系统中；当接收到第四控制数据时，所述输出模块输出调整光伏板与阳光垂直指令至追踪式光伏系统中。
10.作为本发明的进一步优化方案，所述追踪式光伏系统包括通过支撑架建设在农田上方的若干组线性分布的追踪光伏板单元，所述追踪光伏板单元包括支撑框及位于支撑框上的光伏板和匀光板以及驱动支撑框转动的驱动电机，其中，每两组光伏板中间镶嵌一组匀光板，所述驱动电机由所述智能控制器中输出模块控制，所述追踪式光伏系统中匀光板与光伏板总面积比例为1:2。
11.作为本发明的进一步优化方案，所述支撑框为角度可调式单轴结构或双轴结构，其中，单轴结构支撑框在驱动电机作用下转动以追踪太阳光方位角，双轴结构支撑框由两个转轴及其对应的驱动电机驱动，其中一个转轴在驱动电机作用下带动支撑框转动以追踪太阳光的方位角，其中另一个转轴在驱动电机的作用下带动支撑框转动以追踪太阳光的高度角。
12.作为本发明的进一步优化方案，所述匀光板的背光面为菲涅尔透镜状。
13.本发明的有益效果在于：1）本发明中光照管理系统在不影响农作物产量的情况下，平均可提升10%的发电量，且通过传感器系统采集不同种植方式、不同植物、不同生长时期所需要的光照数据，建立数据库和算法模型，并据此结合天气参数智能调节匀光光伏板的角度，与传统的农业光
伏应用相比，该方法可以控制匀光光伏板下面的光照情况，在植物需要强光照时能够调节光伏板与阳光平行进而给予充分的光照便于其生长，在光照过强抑制植物生长时可以调节光伏板与阳光垂直遮挡阳光降低光照强度同时进行发电；2）本发明中光伏板中加入了一定比例的匀光板，匀光板面积占传统光伏板面积的1/2左右，本发明不减少光伏板面积，同时加上匀光板1/3面积，匀光板成本只有光伏板成本1/10，使得整个系统成本增加不多，但是却可以使光伏板下面形成一个低光照但光照均匀的高标准匀光环境，相较于直接遮挡所带来的光照强度过低和马赛克式匀光造成的光强跳跃等情形，更加有利于植物的生长，尤其是低光照植物的正常发育生长；3）本发明中光照管理系统在极端天气情况下具有非常好的适应性和优越性。当连续高温天气和干旱天气时，可以利用光伏板遮挡阳光，降低农作物表面的温度，降低水蒸发。当出现降雨时，尤其是大雨时，固定式的光伏板，水会汇集留下，光伏板下水量不足，光伏板最下沿的下方可能会砸出小水坑，不利于灌溉和植物生长。这时，可以根据天气预报等综合信息，判定是否调整光伏板到垂直地面的角度，让雨水均匀洒落到地面。面对大风天气时，由于匀光板加光伏板面积较大，需要考虑避风问题。但采用跟踪设计以后，可以设计避风模式，在风力超过一定程度时，调整光伏板与风向平行从而大大减轻狂风可能对设施造成的损伤与破坏。
附图说明
14.图1是一些主要蔬菜作物的光补偿点和光饱和点；图2是不同天气下光合有效辐射的日变化；图3是两个小麦品种两个时期叶片光合速率日变化；图4是匀光光伏和跟踪效果图；图5是当需要光照全部照射给农作物时，光伏板保持平行太阳光的方向进行跟踪的示意图；图6是当光照较强时，光伏板保持垂直太阳光的方向进行跟踪的示意图；图7是斜单轴追踪设备的简要示意图；图8是双轴追踪设备的简要示意图；图9是系统运作流程图；图10是光照跟踪算法的基本控制逻辑图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术作出一些非本质的改进和调整。
16.实施例1如图1-10所示，一种大田农作物全生长周期的光照管理系统，包括气象站，实时采集气象数据，气象数据包括ppfd数据、温度数据、湿度数据、风力数据、雨量数据和大气压力数据；智能控制器，接收气象站实时发送的气象数据，通过与预先存储的气象数据控制
模型进行匹配分析，以形成控制数据；追踪式光伏系统，接收控制数据来调整追踪式光伏系统中光伏板角度以实现光照管理；其中，气象数据控制模型包括预先设置风力大小、雨水大小以及光照强度因素模式下的控制模型，并形成基于风力大小、雨水大小以及光照强度下的光伏板角度调节的控制数据。
17.具体的，气象站包括用于实时采集ppfd数据的par测量仪、用于采集实时温度温度计、采集并判断空气中的湿度与降水强度的雨量与湿度传感器、用于判断风力的级数和风向的风力风向传感器以及大气压力传感器。
18.具体的，通过与预先存储的气象数据控制模型进行匹配分析，以形成控制数据的过程，具体包括，将气象数据输入至预先存储的气象数据控制模型中进行匹配，若气象数据中的风力数值大于第一预设值，则输出光伏板角度调节的第一控制数据，否则，判断气象数据中的雨水数值是否大于第二预设值，若是，则输出光伏板角度调节的第二控制数据，否则，将气象数据中ppfd数据与标准数据库进行对比，若ppfd的数值小于标准数据库中的抑制光合作用的ppfd值，则输出光伏板角度调节的第三控制数据，若ppfd的数值大于标准数据库中的抑制光合作用的ppfd值，则输出光伏板角度调节的第四控制数据。
19.具体的，当接收到第一控制数据时，输出模块输出调整光伏板与风向平行指令至追踪式光伏系统中；当接收到第二控制数据时，输出模块输出调整光伏板与地面垂直指令至追踪式光伏系统中；当接收到第三控制数据时,输出模块输出调整光伏板与阳光平行指令至追踪式光伏系统中；当接收到第四控制数据时，输出模块输出调整光伏板与阳光垂直指令至追踪式光伏系统中。
20.具体的，追踪式光伏系统包括通过支撑架建设在农田上方的若干组线性分布的追踪光伏板单元，追踪光伏板单元包括支撑框及位于支撑框上的光伏板和匀光板以及驱动支撑框转动的驱动电机，其中，每两组光伏板中间镶嵌一组匀光板，驱动电机由智能控制器中输出模块控制，追踪式光伏系统中匀光板与光伏板总面积比例为1:2。
21.具体的，支撑框为角度可调式单轴结构或双轴结构，其中，单轴结构支撑框在驱动电机作用下转动以追踪太阳光方位角，双轴结构支撑框由两个转轴及其对应的驱动电机驱动，其中一个转轴在驱动电机作用下带动支撑框转动以追踪太阳光的方位角，其中另一个转轴在驱动电机的作用下带动支撑框转动以追踪太阳光的高度角。
22.具体的，匀光板的背光面为菲涅尔透镜状。
23.需要注意，在建立数据库过程中需要建立多块实验田地从而确保样本之间具有良好的对照，实验田需要相隔一定的距离甚至处于不同的城市以充分保证光照环境的不同，或者利用植物工厂方便控制变量的优势来进行种植实验，并且依据最终农作物的产量的高低选择对应最高产量的综合光照信息作为标准数据库。需要说明的是，数据库中已经包含了植物的种类、种植地区、种植方式等完整数据。标准数据库将作为预设值嵌入智能控制器中，成为算法决策的一方面依据，进而合理控制光伏板的倾斜角度。
24.另外，光伏板采用单轴追踪和双轴追踪中的任一种；系统所用的光伏板中加入了一块匀光板，板面分成三块，匀光板放在中间，匀光板两侧放置光伏板（参阅图7、图8），匀光板与光伏板总面积比例依据地区、种植的作物等可以灵活调整，在一些实施例中，用的是1:
2的面积比例。匀光板是基于菲涅尔透镜原理设计的匀光玻璃板，使得在光伏板下形成一个低光照但光照均匀的高标准光照环境。
25.本发明中决策算法的主要任务是将气象站所获得的实时天气数据与智能控制器中预设的标准数据库进行比较，输出一个光伏板应当调整的角度，进而使控制器发出对应的指令控制电机转动调整光伏板。在判断的逻辑上，依据气象站传送的数据，优先判断风力是否过大。若风力过大，如超过6级，出于保护设施的考虑，算法会依据风向数据，驱使智能控制器与电机，调整光伏板角度与风向平行，避免设施的损坏。若风力不超过6级，则判断雨量大小即降水强度。若降水强度达到中雨，则调整光伏板角度与地面垂直，保证雨滴均匀下落而不至于聚集到光伏板边缘在地面砸出水坑，从而造成植物生长的雨水不均匀的问题。若降水强度小于中雨， 接下来判断ppfd的数值（ppfd 表示单位时间面积上在可见光波长范围的光量子数）。若实时的ppfd数值小于预设的数据库中的抑制光合作用的ppfd值，则调整光伏板与阳光平行（参阅图4、图5），让阳光充分照射下来。若阳光很好，ppfd的数值超过了预设的抑制光合作用的ppfd值，则调整光伏板与阳光垂直（参阅图6），遮挡阳光，并且借助于匀光板的加入在其下方形成高标准匀光环境。算法决策的逻辑参阅图10。
26.在具体实施过程中，若需要严格控制成本，可以采用斜单轴的追踪方式，参阅图7。支架的顶部与竖直方向成一定的角度，在该角度下每年太阳高度角的变化对发电效率影响最小；光伏板与支架连接处设有电机驱动转轴，可以使光伏板东西方向追踪太阳光并动态调整光伏板的角度。若要取得更好的效果和功能，发挥该系统的优势，需要采用双轴追踪的结构，如图7所示。支架的上部装有电机驱动的转轴，可以追踪太阳的方位角；光伏板与支架的连接处也设有电机驱动转轴，可以追踪太阳的高度角。以下实施例均采用双轴追踪系统。
27.将上述光照管理方法应用于小麦种植：第一，在不同地方（尽量光照不同，其他条件近似）的实验田中按同种方式种植同种小麦，利用par测量仪、光合作用速率探测装置等传感器系统对小麦不同生长时期光照信息、光合作用速率信息等进行采集与记录。对比不同实验田的产量，将产量最高的实验田的全过程光照信息和光合作用抑制的信息作为标准的数据库，然后将数据库作为预设信息嵌入智能控制器中。
28.第二，将光照管理系统布置在即将种植小麦的田中。系统包含集成在气象站中的par测量仪、温度计、雨量与湿度传感器、风力风向传感器等传感器组件。其中par测量仪用于实时监控田间的光照情况；温度计用于测量大气温度；雨量与湿度传感器用于监测降水强度和空气湿度；风力风向传感器用于监测风力等级和风向。气象站会将所获得的天气数据发送到智能控制器中，智能控制器中的算法会就采集的实时数据与预设数据进行比较和分析，导出光伏板此时应该调整的角度，再由智能控制器向电机发送调整命令，电机按指令驱动控制高度角和方位角的转轴将光伏板调整到合适角度。
29.第三，具体到算法的决策上，实际实施中发现，在小麦在整个生长周期，在不同阶段需光量不同。在越冬期，冬小麦所需要的光照很低，大约400μmol/m2/s，如果气象站采集的ppfd大于800μmol/m2/s时，智能控制器会依据算法的指令驱动电机调整匀光光伏板垂直阳光，如图6所示，此时下方的光照仍能满足条件；当ppfd小于或等于400μmol/m2/s时，比如在傍晚和早上的一些时间段或者多云和空气质量不佳的天气里，则系统会使光伏板与阳光平行不让其遮光，参阅图6。而且，由于光伏板上面是有匀光板的，因此匀光光伏板与阳光垂
直时在下方所形成的是高标准的低光照匀光环境，不会造成光照强度的跳跃和过低的情况，该低光照匀光环境的质量是可以满足小麦越冬时的光照需求的。在小麦的灌浆期，需要的光照量是比较大的，大多数时间（除一些可能光照过强的时间，如中午）需要让太阳光尽可能多的透过给植物生长，这个时候系统会调节光伏板与阳光平行，参阅图6。另外，在小麦成长的整个过程中，正午或者阳光过强的时候，即一般ppfd大于1800μmol/m2/s时，小麦的光合作用和正常生长会受到显著的抑制，此时系统也会光伏板也会调节如图7所示，以对阳光进行遮挡，防止光照过强抑制小麦的光合作用，进而提高小麦的产量，同时充分利用太阳光来发电。
30.第四，在应对极端天气方面，该系统具有较强的适应性和优越性。系统中的算法对极端天气的判定优于常规的判定，也就是说，在强风、暴雨、严重干旱等情况下，系统会执行另外的策略。如强风天气，系统将会调整光伏板与风向平行避免损坏；在暴雨天气会调整光伏板与地面平行使雨滴均匀下落至田间。注意，为保护设施，算法中对强风的判定优先级高于暴雨，因为强风更易损坏系统设施。另外，当系统识别到高温干旱的情况，会始终保持光伏板与阳光垂直，减少光伏板下的水分蒸发，减少农作物的由于干旱造成的减产所带来的损失。
31.由于采用的光伏板的发电策略并不会影响小麦生长所需要的光照，并且在强光抑制小麦生长时还能够降低光照强度促进小麦的持续生长，同时维持光伏板发电。因此，在对比实验中，采用的基于光伏农业的光照管理系统和管理办法，小麦的产量可提高5%左右，相较于传统的光伏农业系统，发电量可提高8%左右。
32.本技术旨在依据对不同种植方法、不同植物、不同生长时期所需的光照数据所建立的数据库和算法智能调节匀光光伏板的角度，解决了传统光伏与农业结合中二者不能兼顾的问题，实现农作物更有效的生长和光伏板发电效率的提高。
33.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。