一种光伏治沙智能种植装置
阅读说明：本技术 一种光伏治沙智能种植装置 (Photovoltaic intelligent planting device of controlling sand ) 是由 潘铭杰 刘政军 陈柯宇 姚秋艳 刘晓丽 王晓雨 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种光伏治沙智能种植装置,包括外壳以及设置于外壳内部的光伏发电单元、冷凝蓄水单元和设置于外壳上的控制单元；光伏发电单元包括太阳能板、清洗装置、云台追踪装置和蓄电装置；清洗装置可沿太阳能板表面上下移动地设置于太阳能板顶部,并与冷凝蓄水单元通过管道连接；云台追踪装置固定于外壳内底面上,并支撑太阳能板；蓄电装置与太阳能板电连接,用于储存太阳能板转化的电力。与现有技术相比,本发明实现了太阳能板角度的灵活调整以及对太阳能板表面的自动清洗,提高太阳能板的工作效率,减少了人工操作。(The invention relates to an intelligent photovoltaic sand control planting device which comprises a shell, a photovoltaic power generation unit, a condensation water storage unit and a control unit, wherein the photovoltaic power generation unit, the condensation water storage unit and the control unit are arranged in the shell; the photovoltaic power generation unit comprises a solar panel, a cleaning device, a holder tracking device and an electric power storage device; the cleaning device is arranged on the top of the solar panel and can move up and down along the surface of the solar panel, and is connected with the condensed water storage unit through a pipeline; the holder tracking device is fixed on the inner bottom surface of the shell and supports the solar panel; the electric power storage device is electrically connected with the solar panel and is used for storing the electric power converted by the solar panel. Compared with the prior art, the solar panel angle adjusting device has the advantages that the flexible adjustment of the angle of the solar panel and the automatic cleaning of the surface of the solar panel are realized, the working efficiency of the solar panel is improved, and the manual operation is reduced.)
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，具体涉及一种光伏治沙智能种植装置。
背景技术
沙漠地区既是中国重要的能源基地，也是生态环境脆弱区和发展落后地区，在我国部分沙漠地区，一年有超过3300小时的光照时长，并且戈壁沙漠更是有超过上万平方公里的土地未被使用，是一种资源的浪费。沙漠地区具备土地成本低、气候干燥等特点，为中国太阳能发展提供了良好的条件，且太阳能光伏发电量大，2014年，我国太阳能装机量为5.3千兆瓦；到2016年底，装机量达8千兆瓦，与闻名世界的葛洲坝水电站相差不多。
事实上，土地荒漠化主要原因就是蒸发量远大于降水量，而沙漠中使用太阳能板可以很大程度上遮挡土地并防风，抑制沙漠沙尘暴同时，有利于绿色植物与农作物的生长。近年来，国内很多地区已经批复和修建了大量的太阳能发电系统，利用太阳能板吸收并将太阳能转换为热能或电能，截至2019年底，甘肃、青海、新疆(含新疆生产建设兵团)、宁夏、内蒙古光伏电站累计安装量已达到50.88GW，占全国累计安装量的25.0％。
但实际应用中发现，由于已有的太阳能板无法灵活调整，在不同时刻太阳能的效能由于太阳倾斜照射产生的余弦效应而没有充分发挥，造成的光伏电站年发电量损失非常严重，而光伏电站只能通过人工利用太阳能光伏板清洗机器清洗，耗时、耗力且效率不高。
中国专利CN108923727A公开了一种用于沙漠中的光伏发电装置，包括底座、第一支撑杆、第二支撑杆、安装件、凹槽、太阳能电板、蓄水箱、抽水管、抽水泵、第一软管、固定支架、液压缸、给水箱，抽水泵通过第一软管与给水箱相连通，给水箱一侧设有第二软管，液压缸的活塞杆端部安装有清洗机构，清洗机构包括壳体，壳体内设有吹风机和加压泵，加压泵与第二软管相连接，吹风机的输出端贯穿壳体底部连接有出风口，加压泵的底部连接有喷头，出风口和喷头均垂直于太阳能电板的表面。该装置仅设置了蓄水箱用于清洗供水，仍然需要通过人工或其他方式对其进行补水操作，费时费力。
中国专利CN112260644A公开了一种沙漠地区自动浮沉的光伏设备，包括支架板，支架板上侧固定设有光伏板，支架板右侧设有沙尘刷动力装置，沙尘刷动力装置转动设有沙尘刷，沙尘刷扫除所述光伏板上侧沙子，支架板下侧设有开口向下的活动腔。该装置通过沙尘刷去除光伏板表面的沙尘，但无法为光伏板表面进行降温，导致转化效率降低。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种光伏治沙智能种植装置。实现了太阳能板角度的灵活调整以及对太阳能板表面的自动清洗，提高太阳能板的工作效率，减少了人工操作。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种光伏治沙智能种植装置，包括外壳以及设置于外壳内部的光伏发电单元、冷凝蓄水单元和设置于外壳上的控制单元；
所述的光伏发电单元包括太阳能板、清洗装置、云台追踪装置和蓄电装置；所述的清洗装置可沿太阳能板表面上下移动地设置于太阳能板顶部，并与冷凝蓄水单元通过管道连接，用于太阳能板表面的清洗与冲刷；所述的云台追踪装置固定于外壳内底面上，并支撑太阳能板；所述的蓄电装置与太阳能板电连接，用于储存太阳能板转化的电力；
所述的控制单元包括人机交互组件和控制组件，所述的控制组件与蓄电装置、清洗装置、云台追踪装置、冷凝蓄水单元和人机交互组件电连接。
优选地，所述的云台追踪装置包括分布于太阳能板上的光敏电阻机构以及连接于太阳能板与外壳内底面之间的舵机组、转向支架和型材支柱。
优选地，光敏电阻机构由分布设置于太阳能板四周并与控制组件电连接的多个光敏电阻组成。
优选地，所述的型材支柱下端固定于外壳内底面；所述的转向支架可转动地设置于型材支柱顶部，并固定于太阳能板背面；所述的舵机组设置于转向支架内部，并与控制组件电连接，用于与转向支架配合，360°地转动太阳能板。
优选地，所述的冷凝蓄水单元包括制冷器、风扇、型材支柱和蓄水器。
优选地，所述的型材支柱设有多根，优选设有四根，固定连接于外壳内底面；所述的制冷器和风扇与型材支柱固定连接，并与控制组件电连接，制冷器用于获得冷凝水，风扇用于吹去热风；所述的蓄水器分别通过管道分别与制冷器和清洗装置连接，用于储蓄由制冷器冷凝得到的冷凝水，并在需要清洗太阳能板时提供清水。
优选地，所述的制冷器为半导体制冷片或气泵，当制冷器为半导体制冷片时，利用半导体材料的Peltier效应，获取冷凝水；当制冷器为气泵时，气泵将热空气输送至埋入地下低温土壤中的蓄水器，借助温差冷凝出水。
优选地，所述的型材支柱为铝型材支柱。
优选地，所述的蓄电装置为锂电池。
优选地，所述的外壳底面还铺设有植被，增加绿化的同时，还可以降低太阳能板温度，以提高能量转化效率。
本发明的工作原理为：
首先开启人机交互组件，通过已设置好的程序，完成整个装置的启动。操作者可以通过人机交互组件输入指令或选择内置的指令进行操作，指令被发送至控制组件处理，再由控制组件发送至各部件，进行装置的调整。
白天，太阳能板接收太阳光，并转化为电能输送至锂电池储存，设置于太阳能板四周的光敏电阻与控制组件实时监控太阳能板是否处于最大面积受光，并通过云台调整装置舵机组的多个舵机共同运作调整太阳能板至最优角度，即最大面积受光角度，当处于最优角度时，云台调整装置停止工作。
晚上，控制组件控制冷凝蓄水单元开始蓄水，其中制冷器冷凝空气中的水分形成冷凝水，冷凝水流入蓄水器储存，风扇则不断吹去热风，为制冷器补充空气，带动循环，并降低温度，提高冷凝效率。
当太阳能板表面沙尘达到一定量或表面温度过高时，控制组件开启清洗装置，清洗装置在太阳能板表面形成水幕，并由上向下移动，通过滚刷转动与喷水到达清洗太阳能板的目的，冲刷下来的水成为植被用水，落于植被上，保持水土。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、太阳能板的云台追踪。通过云台追踪装置的设立，可以自动追踪太阳位置，寻找最优受光角度，提高太阳能板的工作效率，相较于无追光装置的光伏发电设备，可提升约10～20％的发电效率。
2、水资源的节能应用。采用简单的清洗装置实现清水自动冲洗功能，不仅清洗光伏板表面，还降低了太阳能光伏板的温度上升，使得太阳能光伏板的工作效率提高，同时还可以灌溉太阳能光伏板下的绿色植被，且相较于人工清洗可节约约235ml/m2，既解决太阳能光伏板发电两大问题，又减少了资源浪费。
3、增加夜间空气冷凝器。通过设立冷凝蓄水单元，可以在夜晚“捕捉”沙漠中大量流失的水蒸气，并“回收”用于太阳能板的清洗和绿植的浇灌，真正达到资源利用最大化。不仅可以减少外来补水，还可以提高太阳能板清洗频率，进而提升发电效率。
4、种植绿色植被。在太阳能板附近种植植被，可以降低太阳能板附近空气温度约2～3℃，提高约1％的发电效率，还可以在一定程度上控制沙地的热力平衡，减少沙尘暴，防止沙漠化。
5、整个装置环保绿色，简单轻便，设计方向不断致力于资源利用最大化，整合系统完整、节能，使用过程中无需人工操作，价格便宜，适用、推广性极强。
附图说明
图1为本装置一个视角的立体结构示意图。
图2为本装置另一视角的立体结构示意图。
图3为本装置中冷凝蓄水单元的局部放大示意图。
图中：1-外壳；2-太阳能板；3-清洗装置；4-云台追踪装置；41-舵机组；42-转向支架；5-型材支柱；6-冷凝蓄水单元；61-制冷器；62-风扇；63-蓄水器；7-人机交互组件；8-控制组件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种光伏治沙智能种植装置，如图1～3所示，包括外壳1以及设置于外壳1内部的光伏发电单元、冷凝蓄水单元6和设置于外壳1上的控制单元；
光伏发电单元包括太阳能板2、清洗装置3、云台追踪装置4和蓄电装置；清洗装置3可沿太阳能板2表面上下移动地设置于太阳能板2顶部，并与冷凝蓄水单元6通过管道连接；云台追踪装置4固定于外壳1内底面上，并支撑太阳能板2；蓄电装置与太阳能板2电连接，用于储存太阳能板2转化的电力；
控制单元包括人机交互组件7和控制组件8，控制组件8与蓄电装置、清洗装置3、云台追踪装置4、冷凝蓄水单元6和人机交互组件7电连接。
更具体地，本实施例中：
云台追踪装置包括光敏电阻机构、舵机组41、转向支架42和铝型材支柱5。光敏电阻机构包含有多个光敏电阻，并分布设置于太阳能板2四周，与控制组件8电连接，共同监测太阳能板2是否处于最大面积受光。光敏电阻可以选用晶创和立公司JCHL的产品。铝型材支柱5固定于外壳1的内底面，顶部设置有转向支架42，转向支架42固定于太阳能板2背面。舵机组41包含两个舵机，分别靠近铝型材支柱5和太阳能板2背面设置在转向支架42内部，并与转向支架42以及控制组件8相互配合，360°地调节太阳能板2的角度，使太阳能板2一直处于最大面积受光角度，提高光伏发电效率。
本实施例中，清洗装置3设置于太阳能板2顶部，并与冷凝蓄水单元6的蓄水池63通过管道相连，在需要清洗太阳能板2表面的沙尘时，可以抽取蓄水池63中储存的水，在太阳能板2表面形成水幕进行冲刷，冲刷下来的水直接浇灌在铺设于外壳1内底面的植被，有利于植被的生长，并可有效保持水土。优选地，本实施例中，清洗装置3借助步进电机可在太阳能板2表面上下移动，并通过设置在太阳能板2表面侧的滚刷以及喷水口喷水达到清洗、冲刷太阳能板2表面的目的。如表1所示，在将太阳能板2表面的沙尘冲去后，可以有效提高太阳能板2的转化效率。
表1有沙、无沙覆盖时太阳能板的电压、电流和充电电流
时间
9：30
10：45
11：45
12：50
14：30
无沙时电压/V
11.45
11.97
12.04
12.3
12.38
有沙时电压/V
11.17
11.62
11.76
11.8
11.93
无沙时电流/A
1.25
1.33
0.97
0.67
1.31
有沙时电流/A
0.59
0.78
0.41
0.3
0.68
无沙时充电电流/A
1.2
1.07
0.96
0.66
1.2
有沙时充电电流/A
0.61
0.72
0.38
0.36
0.68
本实施例中，蓄电装置选用锂电池，储存由太阳能板2转化得到的电力，并可为整套装置进行供电。
本实施例中，冷凝蓄水单元6包括制冷器61、风扇62、铝型材支柱5和蓄水器63。铝型材支柱5设置有4根，均固定于外壳1内底面，制冷器61和风扇62与铝型材支柱5固定连接，并与控制组件8电连接。蓄水器63通过管道与制冷器61和清洗装置3连接，用于储存制冷器61冷凝获得的冷凝水，并在需要清洗太阳能板2时提供清水。在本实施例中，制冷器61选用半导体制冷片，利用半导体材料的Peltier效应，在冷端凝结空气中的水汽，冷凝水流入蓄水器63中。通过风扇62不断为冷端补充新鲜空气，同时为热端降温，可以提高冷凝效果。
作为一个优选方案，制冷器61可以选用气泵，此时，蓄水器63埋设于地下低温土壤中，通过气泵将热空气输送至蓄水器63中，依靠温差达到露点凝结出水，可以获得更多的凝水量并且能耗更低。
本实施例中，人机交互组件7和控制组件8均设置于外壳1上，人机交互组件7可以输入程序或调用已设置程序，并将信号传输至控制组件8，再由控制组件8调控整套装置的运行。人机交互组件7选用人机交互屏幕(例如可以是触摸屏)，控制组件8可以采用MKS GenV1.4 2560主控板。
本实施例中，外壳1内底面还铺设有多种植被，既可以有效降低太阳能板2的温度，如表2所示，提高太阳能板2的转化效率，还可以有效转化太阳辐射、调节沙漠、戈壁的热力平衡，削弱沙尘暴和风沙流发生发展的动力。由于太阳能板2为半导体元器件，当温度每升高1℃，电压降低基准电压的0.35％(25℃时的开路电压)，会进一步降低转化效率。由表2可见，在不同时间下，有、无植被时太阳能板2的温度相差可达2℃以上，进而导致能源转化效率相差达1％左右。
表2不同条件下的太阳能板温度
时间
9：30
10：45
11：45
12：50
14：30
有植被时温度/℃
42
44.5
42.6
43
49
无植被时温度/℃
46.5
46.5
46.4
45
51
本发明的工作原理为：
首先开启人机交互组件7，通过已设置好的程序，完成整个装置的启动。操作者可以通过人机交互组件7输入指令或选择内置的指令进行操作，指令被发送至控制组件8处理，再由控制组件8发送至各部件，进行装置的调整。
白天，太阳能板2接收太阳光，并转化为电能输送至锂电池储存，设置于太阳能板2四周的光敏电阻与控制组件8实时监控太阳能板2是否处于最大面积受光，并通过云台调整装置4的舵机组41共同运作调整太阳能板2至最优角度，即最大面积受光角度，当处于最优角度时，云台调整装置4停止工作。
晚上，控制组件8控制冷凝蓄水单元6开始蓄水，其中制冷器61冷凝空气中的水分形成冷凝水，冷凝水流入蓄水器63中储存，风扇62则不断吹去热风，为制冷器61补充空气，带动循环，并降低温度，提高冷凝效率。
当太阳能板2表面沙尘达到一定量或表面温度过高时，控制组件8开启清洗装置3，清洗装置3在太阳能板2表面形成水幕，并由上向下移动，通过滚刷转动与喷水到达清洗太阳能板2的目的，冲刷下来的水成为植被用水，落于植被上，保持水土。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
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