太陽能發(fā)電跟蹤裝置遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的研究

秦佳妮，陳 捷，封 楊

（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

1 引言

伴隨社會(huì)的不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)及人口等各個(gè)方面都有了一定的改觀，能源消耗自然就上升到一個(gè)新的層次。而當(dāng)前化石能源逐漸枯竭，太陽能作為清潔能源之一，其取之不盡，用之不竭，最終將是人類的最佳選擇。鑒于此，太陽能光伏，光熱行業(yè)迅速興起。傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)均為固定式，發(fā)電效率低，不能充分利用太陽能。為提高太陽能資源的利用，國內(nèi)外的學(xué)者相繼開發(fā)出各種跟蹤式太陽能發(fā)電系統(tǒng)在太陽能跟蹤裝置研究中，文獻(xiàn)[1]利用天文計(jì)算和最小二乘法計(jì)算校準(zhǔn)得出太陽能跟蹤裝置。文獻(xiàn)[2]利用一種高精度傳感器，設(shè)計(jì)出最大功率點(diǎn)跟蹤的雙軸跟蹤裝置。但跟蹤式裝置總是不定時(shí)的出現(xiàn)問題，例如風(fēng)沙大的原因?qū)е聹p速機(jī)出現(xiàn)故障機(jī)軸承變形支架變形等問題，跟蹤器的故障，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)失靈使得跟蹤器不能有效工作也是常見的問題。而對(duì)于一個(gè)大的太陽能發(fā)電站，其有成千上萬的跟蹤裝置，如有一個(gè)出現(xiàn)問題，則將會(huì)降低效率。對(duì)于此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)太能發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)研究較多，而對(duì)于跟蹤裝置監(jiān)測(cè)研究較少，本系統(tǒng)在原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)跟蹤裝置的研究，開發(fā)出具有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能的測(cè)試系統(tǒng)，使太陽能發(fā)電系統(tǒng)更加安全可靠的運(yùn)行。

2 跟蹤裝置的工作原理及組成

2.1 跟蹤裝置的工作原理

當(dāng)前國際領(lǐng)域內(nèi)采取多種太陽能發(fā)電跟蹤裝置，其中，最常見的兩種方式分別為光電跟蹤及視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤[3]。傳統(tǒng)意義上的光電跟蹤式借助一級(jí)傳感設(shè)備來完成跟蹤過程，從原則上來說此類跟蹤裝置離不開三個(gè)構(gòu)成部分，分別為跟蹤頭、位置檢測(cè)器及控制組件。位置檢測(cè)器主要由光敏傳感器構(gòu)成，并對(duì)光敏傳感器進(jìn)行挑選，再將通過控制組件接收來源于位置檢測(cè)器的微弱信號(hào)放大，輸送至作為執(zhí)行元件的跟蹤頭處。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤是借助天文學(xué)理論，對(duì)理論上的太陽運(yùn)行軌跡的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，以此來保證跟蹤設(shè)備能夠有效完成太陽的跟蹤控制任務(wù)。而采用的裝置相當(dāng)于太陽運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤裝置，其利用計(jì)算得出每小時(shí)或每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)行時(shí)控。這種控制相對(duì)簡(jiǎn)單但是精度不夠準(zhǔn)確。

2.2 跟蹤裝置的組成

太陽能發(fā)電跟蹤裝置主要由三部分構(gòu)成：機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)即為其支架結(jié)構(gòu)，支撐整個(gè)太陽能板，并且滿足系統(tǒng)正常工作時(shí)的變形量；控制結(jié)構(gòu)主要對(duì)整個(gè)太陽能板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行控制，使太陽能得到充分利用；驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)是太陽能板轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源。根據(jù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同，可以分為連桿驅(qū)動(dòng)和回轉(zhuǎn)式減速器驅(qū)動(dòng)。

3 遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

由于太陽能發(fā)電站有成千上萬個(gè)太陽能板組成，因此也存在成千上萬個(gè)跟蹤裝置，為獲得跟蹤裝置健康狀態(tài)的參數(shù)，就必須安裝多個(gè)不同類型的傳感器。并將這些傳感器分散的布置在跟蹤裝置上。而且一般太陽能發(fā)電站的規(guī)模很大，需要將跟蹤裝置按一定距離分開布置，并要求具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及傳輸功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。另外由于通訊方式是網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成成分，選擇合適的通訊方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言也很重要。再加之測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況復(fù)雜，不確定因素較多，所選擇的通訊方式必須能不受距離限制，具有遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓δ?，還需要考慮經(jīng)濟(jì)性的要求[4]。在對(duì)上述原因進(jìn)行綜合考慮后，設(shè)計(jì)了跟蹤裝置的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall Structure of Remote Test System

如圖1所示，跟蹤裝置工作時(shí)產(chǎn)生的各種信號(hào)通過傳感器傳到信號(hào)調(diào)理裝置，并且轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并最終進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號(hào)經(jīng)過PXI總線傳送給現(xiàn)場(chǎng)的服務(wù)器，在服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)保存。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展給遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)提供了方便的途徑，利用Internet網(wǎng)絡(luò)連接太陽能發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程測(cè)試中心將是一個(gè)很好的選擇。利用LabVIEW提供的WEB服務(wù)器技術(shù)，用戶能在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上通過網(wǎng)頁或LabVIEW連接本地VI前面板，能夠?qū)崟r(shí)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

此監(jiān)測(cè)體系必須具備兩大特性，其一是可以實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽能發(fā)電體系的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，二是對(duì)跟蹤裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)其進(jìn)行故障分析。光照強(qiáng)度直接決定著太陽能的能力輸出，如圖2所示，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，其電池輸出性能越強(qiáng)。不僅如此，太陽板及環(huán)境的溫度、風(fēng)力情況等有關(guān)自然環(huán)境也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾，如圖3所示，溫度越高，電池輸出性能越強(qiáng)。跟蹤裝置中的動(dòng)力裝置是最容易產(chǎn)生故障的場(chǎng)所之一。對(duì)與回轉(zhuǎn)式系統(tǒng)而言，其故障易出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)式減速器接觸部分。由于其轉(zhuǎn)動(dòng)的較為緩慢，磨損較小，可以測(cè)量其位移。而對(duì)于連桿驅(qū)動(dòng)式跟蹤系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過連桿帶動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，在帶動(dòng)太陽能板轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于其的監(jiān)測(cè)，可以測(cè)量其加速度，位移等。綜上所述，針對(duì)槽式發(fā)電體系，在整個(gè)體系內(nèi)部需要對(duì)下列各參數(shù)進(jìn)行測(cè)量：（1）太陽板及周邊環(huán)境的溫度、光照及輻射強(qiáng)度、風(fēng)力速度；（2）集熱管進(jìn)出口溫度；（3）太陽能板的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度、加速度及噪聲情況；（4）電機(jī)電流量及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)位移。

圖2 不同光照強(qiáng)度下下光伏組件P-V特性的變化趨勢(shì)Fig.2 P-V Characteristic Change Trend of PV Modules Under Different Light Intensities

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure Diagram of Hardware System

圖3 不同溫度下光伏電池P-V特性的變化趨勢(shì)Fig.3 P-V Characteristic Change Trends of Photovoltaic Cell at Different Temperatures

本測(cè)試體系的核心采用的是PXI硬件，主要涵蓋PXI數(shù)據(jù)采集調(diào)理、PXI嵌入式控制設(shè)備及PXI機(jī)箱等多個(gè)結(jié)構(gòu)[5]。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，如圖4所示。4-20mA是光照、溫度及風(fēng)力等普通傳感設(shè)備的輸出電流標(biāo)準(zhǔn)，且與PXI6238數(shù)據(jù)采集卡之間通過TB接線盒連接；加速度和噪聲傳感器的輸出形式則為（0～10）V的電壓輸出，且與PXIe4492數(shù)據(jù)采集卡連接；而對(duì)于驅(qū)動(dòng)裝置的磨損量測(cè)量是本系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，需要在整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中測(cè)量，且其磨損較小，考慮到測(cè)量的精度，選擇無接觸測(cè)量方法。選用美國MTI的激光位移傳感器，通過RS485通信協(xié)議，以USB接口的形式與嵌入式控制器PXIe8135連接。

3.3 測(cè)試系統(tǒng)軟件組成

測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想，各組成模塊功能獨(dú)立，程序功能易于擴(kuò)展和維護(hù)[6]。對(duì)此測(cè)試系統(tǒng)不同的功能性構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)的展示，如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)軟件功能模塊Fig.5 Test Systems of Software Modules

從功能角度來說，測(cè)試系統(tǒng)軟件只要涵蓋下列五個(gè)部分，分別為：（1）參數(shù)設(shè)置模塊：實(shí)現(xiàn)測(cè)量物理量和電信號(hào)值之間的線性變換，包括采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置。（2）數(shù)據(jù)采集模塊：通過硬件配置實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、照度、風(fēng)速風(fēng)向、傾角、位移、加速度、噪聲等多種靜動(dòng)態(tài)參數(shù)的采集。（3）數(shù)據(jù)顯示模塊：試驗(yàn)過程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照數(shù)字、曲線或表格的形式顯示在前面板上。（4）數(shù)據(jù)保存模塊：試驗(yàn)過程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照指定的TDMS格式保存在指定的路徑。（5）數(shù)據(jù)處理模塊：根據(jù)試驗(yàn)需要提取相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照一定的算法功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。對(duì)于時(shí)域分析等類的靜態(tài)參數(shù)來說，動(dòng)態(tài)參數(shù)的信號(hào)處理能力更強(qiáng)，比如功率譜、小波及時(shí)頻等均具有對(duì)應(yīng)處理方式。從試驗(yàn)本身出發(fā)，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)劃分為多個(gè)分支模塊，借助規(guī)定途徑逐個(gè)對(duì)分支模塊記性試驗(yàn)，此為測(cè)試主程序的主要內(nèi)容。程序通過應(yīng)用子面板技術(shù)調(diào)用指定路徑的試驗(yàn)?zāi)K，比主從程序結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)者、消費(fèi)者程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔許多，內(nèi)存利用率也降低不少。對(duì)主要測(cè)試程序及前面板進(jìn)行了詳細(xì)展示，如圖6所示。

圖6 主程序的前面板及程序框圖Fig.6 Front Panel and Block Diagram of the Main Program

3.4 基于TCP的通信構(gòu)架

本系統(tǒng)借助互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)節(jié)。當(dāng)前各類軟件未來均朝向借助互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資料共享的方向發(fā)展，LabVIEW軟件便是此背景下的產(chǎn)物，其互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)十分先進(jìn)。當(dāng)前在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中，應(yīng)用最廣泛，成就最強(qiáng)的當(dāng)屬TCP/IP協(xié)議，其在開放及實(shí)用兩個(gè)方面的特性十分理想，在所有協(xié)議群中，其占據(jù)基礎(chǔ)地位，在TCP/IP協(xié)議系統(tǒng)內(nèi)，負(fù)責(zé)傳輸層協(xié)議的是TCP，其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議則是應(yīng)用的IP[7]。TCP協(xié)議是相對(duì)面向連接來說的，進(jìn)行點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信，其支持信息由此計(jì)算機(jī)向另一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行傳遞。用戶在LabVIEW的作用下成功獲得了以TCP為基礎(chǔ)的通信函數(shù)，其存在于LabVIEW的協(xié)議面板之中。此舉使使用者在編程時(shí)只需在TCP模塊內(nèi)對(duì)其所需的VI子系統(tǒng)及TCPVI進(jìn)行選擇。完整的TCP數(shù)據(jù)傳輸流程包括下列幾個(gè)環(huán)節(jié)：發(fā)送端對(duì)請(qǐng)求連接指令進(jìn)行傳輸-接收端接收請(qǐng)求予以回答同時(shí)實(shí)現(xiàn)連接-數(shù)據(jù)傳輸-連接關(guān)閉-過程結(jié)束[8]。其結(jié)構(gòu)，如圖7所示?；谏鲜黾軜?gòu)開發(fā)的LabVIEW服務(wù)端程序，如圖8所示。此架構(gòu)旨在提供一對(duì)多或多對(duì)一的C-S通訊機(jī)制，同時(shí)對(duì)各種可能的錯(cuò)誤進(jìn)行了相應(yīng)的自動(dòng)處理，提高了TCP通訊的有效性和可靠性。

圖7 服務(wù)器客戶端工作流程Fig.7 Workflow of Server and Client

圖8 服務(wù)器端構(gòu)架Fig.8 Server Architecture

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)最終目的是對(duì)大型光伏光熱發(fā)電跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，明確其可能出現(xiàn)的故障。確定試驗(yàn)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)及工況，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)論，并最終選擇進(jìn)行故障分析的參數(shù)。首先，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，準(zhǔn)備必要的工具，選擇合適的測(cè)點(diǎn)，如圖9所示。安裝固定好傳感器和其他相關(guān)測(cè)試設(shè)備，根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)。本測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)太陽能發(fā)電跟蹤系統(tǒng)而開發(fā)的，具有通用性，能夠滿足多種物理量和幾何量的測(cè)試需求。其次根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的主程序上的內(nèi)容項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集顯示和保存，其中包括溫度、照度、風(fēng)速風(fēng)向、傾角、位移、加速度和噪聲等。而且規(guī)定時(shí)間內(nèi)會(huì)主動(dòng)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)。系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)試界面，如圖10所示。

圖9 傳感器及測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.9 Site Installation of Sensor and Test System

圖10 運(yùn)程測(cè)試界面Fig.10 Fortune Test Interface

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)一套關(guān)于太陽能發(fā)電裝置的測(cè)試系統(tǒng)。首先，了解太陽能發(fā)電原理及組成，并且通過查閱資料提出測(cè)試系統(tǒng)要求，并成功的搭建測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并能對(duì)太陽能發(fā)電裝置進(jìn)行在線測(cè)量。但是還存在一些不足，本系統(tǒng)只是將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，后期應(yīng)將數(shù)據(jù)庫技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的各種操作，為以后在工業(yè)測(cè)試中建立綜合型測(cè)控系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

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