農業電氣化前景范文

導語：如何才能寫好一篇農業電氣化前景，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

1  電力電子技術在農業電氣化中的應用現狀

“加快發展現代農業”是我國現代化進程中的重大歷史任務，也是“十二五”規劃的一項重要任務，而農業的電氣化水平直接決定了現代農業的發展水平。農業電氣化是指在農業上對電能的應用，包括了農業生產和農村居民生活領域，農業生產上主要是電能的利用和農業生產的機械化和自動化，而農村居民生活領域主要是電能的輸送、分配和利用。到目前為止，幾乎所有發達國家的都已實現了農業電氣化，但我國的農業電氣化水平還較低，各地區發展差距也較大。而決定我國農業電氣化發展水平的，就是電力電子技術的應用水平。

電力電子技術是在電力領域使用的電子技術，是使用電力電子器件使弱點和強電接口。主要應用在對電能進行變換和控制的領域。20 世紀以來，隨著電力電子技術的快速發展，其應用范圍以擴展到工業、農業、交通、電力、通信、節能、家電、環保等多個領域。例如在在農業技術裝備中的應用提高了農業裝備的自動化程度，使農業技術裝備實現了靈活可控。

2  電力電子技術在農業電網電能變換中的應用

在農村，用電大多采用從國家電網買電形式，這種形式費用高并且偏遠地區會出現缺電等問題。我國農村有豐富的可再生資源，可以因地制宜采用分布式發電技術改善農村的用能條件。在水資源豐富的地區，可以采用水電發電；在風能資源充足的地區，可以推廣使用小風電；在太陽光充足的地區，推廣使用光伏發電；也可以推廣風光互補發電，并結合沼氣發電、生物質能發電等[3]。采用電力電子技術的電力變換技術，來實現農業的電氣化。

2.1  AC/DC 變換

AC/DC 變換稱為整流。由于風速的隨機性，農業用微型風力發電機發出來的電能為不穩定的交流電源，需要首先把它們通過 AC/DC 變換整流成直流電，然后再通過逆變技術變成標準的交流電。圖1 為三相橋式整流電路。這種電路簡單，容易得到直流電壓，但會產生嚴重的諧波污染，需接入濾波器等電力電子裝置濾除諧波。

2.2  DC/DC 變換

DC/DC 變換稱為直流變換。太陽能、水能、沼氣能、燃料電池等提供的電能為直流電壓，由于電壓等級低，所以需采用直流變換中的升壓電路升壓至合適的電壓等級（圖 2 為升壓變換電路），然后再進行逆變。另外，發電系統具有輸出功率變化響應慢的特點，如光伏發電系統和小水電發電系統響應時間在秒級，而燃料電池響應時間則更長，甚至需要數分鐘，所以在負荷突變時，功率的輸入跟不上所需要的功率輸出，會出現有功功率不足的現象；另外，光伏發電和風力發電由于陽光和風速的隨機性而具有波動性大的特點，所以需要在系統中加入儲能單元，在發電量多時儲存電能，在發電量少時調用所儲存的電能，儲能單元可以選擇蓄電池等，當使用蓄電池里的電能時，需要采用升壓電路使蓄電池放電，升壓電路將蓄電池電壓升壓至母線電壓，以供給負荷使用；反之當母線電壓過高時，需要采用降壓電路降壓對儲能單元充電，所以儲能單元通常采用雙向 DC/DC 電路進行充放電。

2.3  DC/AC 變換

DC/AC 變換稱為逆變。通過上文所述的整流或直流變換技術，都是把電源變換到合適電壓等級的直流電，而農業裝備中使用的電動機、農業生產所需要的照明電源等都需要的是標準的正弦交流電，所以需要采用如圖 3 所示的逆變電路把直流電變換為標準的交流電，以供給負荷，或者將余電并網。

3 電力電子技術在農業技術裝備中的應用

以電力電子技術為基礎的裝置有開關電源、軟開關、有源功率因數校正、不間斷電源、靜止無功補償裝置、變頻調速裝置等，這些裝置在農業裝備技術中有著廣泛的應用。隨著電力電子技術的發展，使農業裝備發展迅速。

3.1  農業灌溉中的變頻水泵

傳統的農業滴灌中所使用的水泵采用的電動機基本上是不可調速的電動機，水泵在工作時，電動機在一定轉速下運行，這種電動機不能通過調速來調節滴灌量的多少，而只能通過調節多個閥門的開關以滿足灌溉流量的需要，在需要小流量滴灌時，電動機的大部分能量都消耗在閥門上，浪費很大，因此需要根據需要來控制滴灌的流量。而采用電力電子變頻器進行頻率變換而進一步達到調速的目的，可以控制滴灌流量，大約能節約 30%的電能，同時可以實現滴灌過程的自動化，形成無人值守的現代農業灌溉系統。

3.2  精準施肥機

精準施肥技術可以減少肥料的使用，降低對環境的污染，優化農業生產，以獲得最高的產量和最大的經濟效益。精準施肥機基于脈寬調制（PWM）技術，能夠因地制宜，實現肥料播撒隨農業機械的行駛速度自動調節，并且可以在施肥過程中根據實際需要改變施肥量，也可結合采樣技術、導航技術等進行施肥，達到精準施肥的目的。

3.3  計算機節能開關電源

計算機現在已深入到生活的方方面面，在農業中計算機的利用也得到了迅速的發展。發達國家的農業科技人員，已利用計算機控制技術代替人力來管理農田，例如控制農田的滴灌、噴灌、施肥和人工智能化的田間管理，實現了農業的現代化。計算機并不是無時無刻地在工作，而是在需要時發出控制指令，如果長期處于運行狀態會使得耗電量大大增加，由此推動了計算機全面采用了數字開關電源，在睡眠狀態下的耗電量只有 30 瓦甚至更低。

3.4  高壓變頻農業清選機

高壓變頻農業清選機采用了電力電子技術中的高壓交流變頻調速技術，其調速方式以效率高，調速范圍寬并且可以實現無級調速，應用范圍廣、易于操作，安全性能高等眾多有點，超過任何一種調速方式，在農業清選機中廣泛應用。農業清選機中應用了高壓變頻調速電機后，降低了運行成本，實現了自動調控，也使電動機轉動造成的環境噪音大大的降低。

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關鍵詞：太陽能；跟蹤；光敏二極管；單片機；步進電機

太陽能作為一種清潔的可再生的新型能源，受到了人們的廣泛重視，目前利用太陽發電的方式主要有光伏發電、光熱發電等，它們均為固定安裝，無法根據太陽光的不斷變化，來調整迎光面，做不到太陽光的實時垂直照射，這樣就會使太陽能資源得不到充分利用，所以有必要研究如何最大程度地提高太陽能的利用率。

要提高太陽能的利用率，應從兩個方面入手，一是提高太陽能的接收效率，二是提高太陽能裝置的能量轉換率。其中，太陽能的接收效率與太陽光的照射角度有關，已經有人研究了太陽光角度與太陽能的接收效率的關系，理論分析表明：太陽的非跟蹤與跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽可使太陽能接收裝置的熱效率大為提高，進而可以提高太陽能的利用率。

現階段市場上使用的跟蹤系統有單軸太陽能自動跟蹤器、步進式太陽能自動跟蹤、可自動跟蹤的太陽灶、五像限法太陽自動跟蹤儀、單軸液壓式自動跟蹤、極軸式跟蹤。它們存在結構復雜、跟蹤精度不高、不能全自動跟蹤等不足。

1 設計方案

本設計可使太陽光永遠垂直照射在接收面上，提高了太陽能的吸收率和轉化率，設計結構簡單，成本低廉，單片機控制穩定，能自動跟蹤陽光，最大面積地吸收太陽光能，合理利用了資源。追日性能良好的太陽能電池板雙軸自動追蹤系統，使太陽能電池板在南北、東西兩個方向追蹤太陽，提高太陽能利用率。

本設計主要包過光電轉換電路、AD轉換電路、單片機控制電路、電機驅動電路的設計，首先主要介紹各個模塊的硬件電路，以及機械設計部分原理簡介。

硬件設計流程圖如圖1所示。

（1）光伏傳感器檢測光照強度以及太陽光入射角度；

（2）A/D轉換器完成太陽光檢測信號的采集，并輸出及放大信號的模擬輸入量；

（3）單片機STC89C51接收到信號后，做出指令；

（4）步進電機自動調節接方位至最佳狀態；

（5）步進電機在水平和垂直方向運行調節，太陽能電池板主要將太陽能轉換為電能并輸送給用電器或電池。

1.1 基本系統

單片機的基本系統包括電源、晶振電路和復位電路。

電源是給單片機提供電源5V。

晶振電路由晶振和2個電容所組成，晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，所以采用11.0592M晶振。

1.2 光敏二極管比較電路

本設計對于當前太陽能電池板監測控制系統，研究其優劣點并且加以進行分析。在此基礎上設計能自動旋轉追蹤的太陽能電池板。結合三種太陽能采集方法，實現手自一體化的多模式太陽能采集。在自動運行中該系統具有較高的實時性，運用四象限光敏二極管對太陽能強度進行檢測，使用比較電路（見圖2）進行分析，從而實現實時性的太陽能強度分析。

經過四象限光敏二極管的采集分析后，在單片機中進行比較，根據得出的結果對太陽能電池板的伺服電機進行控制，以實現太陽能電池板X、Y軸方向上的調整。

1.3 按鍵電路

按鍵電路主要功能：1起停按鍵，2、3 X軸控制，4、5 Y軸控制。按鍵電路因按鍵數量不多，所以采用獨立式按鍵。

1.4 步進電機驅動電路

本課題用兩個步進電機來分別控制太陽能電池板的X、Y軸運動，用ULN2803驅動芯片來控制電機的正反轉。

1.5 光電檢測原理

硬件設計中光電檢測是本裝置的主要部分，也是太陽能電池板尋光的主要控制元件，設計中為了使太陽能電池板始終對著太陽則需要四個光敏對陽光強弱進行檢測，如圖3所示，光敏均采用垂直于太陽能電池板板面安裝。

其中光電檢測A對左遠離光線進行檢測，當光線遠離電池板時A檢測會給單片機信號，單片機驅動繼電器控制電機M1正轉使電池板跟隨光線左轉。光電檢測B對右遠離光線進行檢測，當光線遠離電池板時B檢測到并實時傳輸給單片機信號，單片機驅動繼電器控制電機M1反轉使電池板跟隨光線右轉。光電檢測C與D對太陽垂直角度的變化進行檢測，并將檢測到的光線變化信號傳輸給單片機，單片機進行進一步處理后控制繼電器驅動電機M2的正反轉，從而實現電池板垂直角度的調整。

考慮到太陽四季垂直角度變化的速率很小，可以在電池板垂直角度的調整電機M2加個減速箱，使其變化速率也非常小，不至于因變化太快使得光電檢測誤檢，否則會導致電池板在垂直方向不停的擺動。

2 節能效果分析

在現代社會，人們利用太陽能很多時候都要考慮它的節能性、經濟性，具有良好節能效果、價格低廉的產品才能更好地推廣與應用。本項裝置結構原理簡單、成本低廉，具有很好的經濟性，以下主要評估系統的節能效果。中小規模使用的太陽能追蹤器器，規格大于實驗室所用的裝置，以太陽能板長L=5.9m，寬d=1.2m為例，評估這樣實際應用的系統一年可以節約的標準煤耗。

跟蹤裝置應用于新疆地區，日工作時間為8h，發電效率受外界條件干擾較大，年平均追蹤效率取35%，利用跟蹤裝置一年利用的太陽能熱量為：201367/IWm

本項裝置可在較好的精度下工作，通過實驗數據采集與分析，驗證該系統具有較好的集熱效率。通過節能性分析說明，實際應用中的本套裝置節能效果明顯，每年可節約相當可觀的標準煤，對于構建節能低碳型社會具有重大意義。

在當前的條件下發電效率高的太陽能電池必將在市面上有很大影響。太陽能自動追蹤系統，能及時地跟蹤太陽，盡可能地提高太陽能的利用率，在實時性、低功耗方面亦均有所提高，所以我們所設計的太陽能自動跟蹤系統有較好的市場前景和經濟效益。

參考文獻

[1]王國龍.基于單片機的雙軸太陽能跟蹤系統的設計[M].電子設計工程，2013，15.

[2]蘇平，李曉荃.單片機原理與接口技術[M].北京：北京電子工業出版社，2003.

[3]馬長芳.新型集成電路及其應用實例[M].科學出版社，2002.

[4]吳金戌.8051單片機實踐與應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

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關鍵詞：創新教育 新能源 人才培養

中圖分類號：F240；G645

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2016）05-177-02

引言

近十幾年來，我國新能源產業得到迅猛發展，在風力發電、太陽能光熱發電、生物質能源利用、氫能開發等方面處于世界領先地位{1}。但與這種情況相悖的是，無論在新能源利用技術方面還是相關的裝備制造業，新能源產業的人才明顯滯后于產業發展，存在著嚴重的人才缺失現象。這種現實狀況制約了我國新能源產業的可持續發展。因此，對于為社會培養高級技術人才的高等院校來說，培養新能源方面人才已成為迫切任務{2}。

大學生創業教育理念是強化創新創業能力訓練，增強高校學生的創新能力和在創新基礎上的創業能力，培養適應國家建設需要的高水平人才{4}。在大學生創新創業教育模式下培養新能源領域緊缺人才，能夠極大地促進新能源產業的發展。

一、風力發電

筆者所在專業為農業電氣化與自動化專業，主要培養電氣工程類專業技術人才。目前，小型風力發電系統效率很高，已達到商品化程度，風力發電機、風力發電已初步形成產業。風力發電技術為本專業的一門專業選修課，風力發電原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。風力發電沒有燃料問題，也不會產生輻射或空氣污染，是一種特別好的發電方式。

近年來，筆者所在的佳木斯大學大力支持大學生創新創業訓練計劃項目的開展，學生在指導教師的指導下申請一些風力發電方面的項目。風力發電技術課程涉及到直流發電機、同步交流發電機、異步交流發電機、發電機組的控制、充電器及逆變器方面的知識，這些知識大多抽象，學生只會理論計算，對工程實際應用及運行情況不了解，使項目進行過程中遇到很多阻礙。為此，本專業帶學生到學校附近的大唐依蘭風電公司進行參觀實習，使學生了解風力發電實際運行情況，在實踐與創新理論的指導下完成課題。

二、太陽能光熱發電

1.太陽能光伏發電。太陽能是石油和煤炭等常規能源最理想的替代能源，太陽能光伏發電是各種新能源中應用前景最廣闊的一種{4}。鼓勵學生申請光伏裝置設計方面的課題，通過裝置搭建過程中掌握太陽能光伏發電系統工作的原理，在實際操作過程中發現問題，然后通過交流學習解決問題，掌握逆變技術、最大功率點跟蹤技術的原理和方法。此外，還通過太陽能光伏板完成太陽能充電器、太陽能滅蟲等設計，使學生的創新能力、實踐能力得到了極大的提高。

2.太陽能熱電發電。太陽能熱利用技術按終端使用溫度范圍大致分為低溫、中溫、高溫：低溫范圍在100℃以下，主要用于生活用水、采暖、干燥、蒸餾、農用溫室等；中溫100～300℃之間，用于工業用熱、制冷空調、烹調等；高溫則為300℃以上，用于熱發電、材料高溫處理和有毒物料的去毒處理等。太陽能利用技術也是農村新能源利用的核心，在社會主義新農村的新能源建設中起到至關重要的作用。

太陽能熱電發電有兩種形式，一種是利用太陽熱能產生高溫蒸汽推動汽輪機發電，另一種是將太陽熱能耦合到熱電材料，利用熱電材料的賽貝克效應進行發電。其中，第二種太陽能發電形式被稱為太陽能溫差發電，這種發電方式更適合大學生創新創業項目。作為本項目的前期鋪墊，目前已經指導學生完成2015年大學生創新創業項目，智能半導體溫差發電裝置設計（201510222017），目前發表學術論文2篇，申請專利1項（ZL201520418516.8）。項目實施過程中，學生從對溫差發電一知半解，最后通過學習、研討、反復實驗解決各種問題，提高理論與科學技能的同時，創新能力及團隊合作能力都得到了極大的鍛煉，此外，項目申請與答辯過程中都需要項目組成員自已完成PPT制作與解說，使學生得到了專業鍛煉，為今后工作中遇到同樣問題打下良好基礎。下個項目的目標是完成太陽能溫差發電裝置的設計，使學生在項目實施過程中掌握更多太陽能利用的理論與技術。

三、水力發電

水力發電雖然不是新能源發電，但也是節能環保的可再生能源發電。水力發電是利用河流、湖泊等位于高處具有勢能的水流至低處，將其中所含勢能轉換成水輪機之動能，再借水輪機為原動力，推動發電機產生電能{5}。在水力發電中，主要培養學生控制方面的技能，目前已經完成“基于PLC的水電站閘門監控系統設計與實現”。學生采用上位機與下位機協同工作的控制方式，RS485通訊方式進行數據的傳輸，以PLC為系統的控制核心，完成對水電站閘門的全程監控。實現功能主要包括：通過人機交互界面―觸摸屏，實現對閘門的啟動上升、停止、下降的控制；實現對閘門開放度信息的采集、顯示及處理功能；在緊急情況下緊急落門和緊急抱閘剎車的功能；報警信息的顯示以及通過觸摸屏可以監視系統運行狀態；控制閘門上升或下降到指定開度。項目實施過程中，學生的組態軟件編程能力、PLC控制能力、上位機與下位機的通訊能力都得到了很大的提高。

總結

1.新能源發電領域的人才除了需要具備多學科理論知識，涉及機械、電機學、電力電子技術、自動控制理論等學科，主要還要求具備一定的實踐技能。在大學生創新創業模式下，結合項目研發，使學生具備了更多新能源發電方面的理論知識與實踐技能，符合新能源產業對人才多方位的、多層次的要求。新能源產業不僅需要技術領域的人才，還有相關的工程管理、項目規劃、金融、財務等方面的人才。這些能力在大學生創新創業項目實施過程中都能得到極大的提高。

2.在認識到新能源產業人才的缺失如此嚴重的同時，也促進本專業的課程調整。考慮培養多層次的學生，既培養有從事科研、開發的領域的人才，也培養產業的技能人才，增強專業的活力。同時，新能源產業日新月異，新產品、新技能層出不窮，也要求專業教師們時刻更新自己的知識結構，跟上變化的步伐，打造更加專業的教師隊伍。

3.目前高校都面臨巨大的就業壓力問題，社會上還缺少創新創業型人才，通過大學生創新創業項目培養出的學生，在專業技能、創新思維、創業能力、管理能力、商務能力等多方面得到鍛煉和提高。即使學生不進入到新能源產業工作，也可選其他領域的工作，這在一定程度上增加了本專業的就業渠道，緩解就業壓力大的社會問題。

注釋：

{1}李春曦，王佳，葉學民等.我國新能源發展現狀及前景[J].電力科學與工程，2012（28）4：1-8.

{2}王偉東，艾建軍，楊坤.新能源產業人才培養問題與對策[J].中國電力教育，2011（12）：5-6.

{3}鄧淇中，周志強.大學生創新創業教育體系的問題與對策[J].創新與創業教育，2014，5（1）：33-35.

{4}諶權章.我國新能源產業及其發展對策初探[J].重慶交通大學學報（社科版）.2011，11（3）： 20-23.

{5}張春友，趙華洋.新能源教學改革的幾點思考[J].內蒙古民族大學學報（自然科學版），2014，29（4）：405-406.

（作者單位：佳木斯大學機械工程學院 黑龍江佳木斯 154007）