新能源利用綜合演示實驗平臺研制

袁小平， 婁承芝， 田 浩， 葛榮陽

(天津大學 環境科學與工程學院， 天津 300072)

新能源利用綜合演示實驗平臺研制

袁小平， 婁承芝， 田 浩， 葛榮陽

(天津大學 環境科學與工程學院， 天津 300072)

研制了一個新能源利用綜合演示實驗平臺，該綜合演示實驗平臺共包括7個新能源轉化利用的子系統，分為光電轉換、風電轉換、光熱轉換三類，每個子系統設計了能量轉換、能量傳輸、運行控制、能量利用及人機交互等部件。利用自行開發的數據采集板采集數據，用MCGS組態軟件設計人機交互界面，通過JACE網絡控制器將各個子系統進行集成，并利用先進的Niagara框架平臺對整個平臺系統進行訪問控制。實踐證明，該綜合演示實驗平臺可以很好地演示新能源轉化利用的過程及原理，達到了教學及科研的目的。

演示實驗平臺； 光伏發電系統； 風力發電系統； 太陽能熱水系統； 人機交互界面

在國家大力推行節能減排的大背景下,太陽能、風能等新能源的開發利用正在快速發展。許多高校為了促進該領域的發展,建立了新能源利用的實驗平臺，近些年來更多更先進的實驗平臺不斷涌現。以太陽能應用領域為例,如電子科技大學搭建了離網型及并網型光伏發電實驗系統,以此來測試太陽能發電的利用效率[1]；上海交通大學的太陽能熱泵供熱系統實驗臺,利用該實驗臺可以實現太陽能熱泵冬季供暖工況的實驗研究[2]。但是這些實驗臺大多是單一能源利用系統,不利于對綜合性的實驗進行教學研究[3]。此外,這些實驗臺大多沒有人機交互的部分,學生很難直觀了解系統的運行過程和原理。

本綜合演示實驗平臺(以下簡稱實驗平臺)吸收了國內外先進實驗平臺的設計經驗,研制了一套太陽能、風能綜合利用實驗平臺, 在單一系統實驗臺的基礎之上,不僅綜合了多種形式的光伏發電系統,還綜合了風力發電系統和太陽能熱水系統。另外該實驗臺的每個系統都通過觸摸屏來顯示系統的運行信息,通過操作觸摸屏來控制系統運行,用戶也可以通過網絡對系統進行遠程訪問,實現了很好的演示效果,目前已經成為天津市高水平示范項目。

1 實驗平臺設計概況及組成

如圖1所示,該實驗平臺共包括7個應用系統,分別是2 kW薄膜離網發電系統、3 kW薄膜并網發電系統、2 kW單晶離網發電系統、2 kW多晶離網發電系統、2 kW單晶離網太陽能追日發電系統、2 kW風力離網發電系統、1 t太陽能熱水系統。太陽能、風能轉化為電能后連接負載使用,太陽能轉化為熱能后供房間采暖使用。每個系統配備有相應的控制柜,通過控制柜內的觸摸屏連接到JACE600網絡控制器,網絡控制器配合路由器將信息傳至Internet,這樣網絡客戶端可以通過互聯網訪問該實驗平臺,現場計算機實現對現場設備的訪問控制。

圖1 綜合演示實驗平臺系統原理圖

1.1 太陽能發電系統

太陽能發電系統包括太陽能光伏板、匯流箱、蓄電池、逆變器、系統控制柜。太陽能光伏板表面的一層半導體薄片受到太陽照射產生一定的電勢差,即產生光伏效應。能產生光伏效應的材料有單晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化鎘等[4]。本系統分別采用了單晶、多晶、非晶三類太陽能光伏板本。5個太陽能光伏發電系統可以分別演示不同形式的太陽能光伏板發電原理、發電效率的區別及特點,離網系統和并網系統的區別及特點。

為了減少太陽能光伏板與逆變器之間的連接線、方便維護,在太陽能光伏板與逆變器之間增加直流匯流箱,它還具有匯流、防雷的功能。太陽能光伏板轉換的電能輸送給蓄電池進行儲存,當電力不足時蓄電池放電,蓄電池同時為控制柜內設備的正常運行提供直流電源。

系統控制柜內包含IO采集板、手動開關、接觸器、電壓電流傳感器、逆變器、觸摸屏等。IO采集板為自行設計的多功能信號采集控制板,核心為一塊89C55CPU,它具有12路模擬量輸入通道、2路模擬量輸出通道、8路數字量輸入通道、8路數字量輸出通道,還具有485總線傳輸功能,主要完成對系統運行數據的采集及各類執行器的運行控制,并且完成與觸摸屏之間的通信。電壓/電流傳感器采用霍爾電壓/電流傳感器,該傳感器可以將電壓/電流值轉變為0～10 V電壓信號,并輸入IO采集板,完成電壓/電流值的測量。手動開關一般在系統調試的時候使用；自動開關(接觸器)在IO采集板的控制下,自動完成系統開閉操作。逆變器把太陽能光伏板產生的直流電轉變成交流電供負載使用。觸摸屏使用的是TPC1061Ti,它是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏,該觸摸屏預裝了MCGS嵌入式組態軟件,具備強大的圖像顯示和數據處理功能,并且帶有485通信接口和網絡接口,其中485通信接口能與IO采集板相連,從而顯示系統的各項運行信息；網絡接口與JACE控制器相連,從而將各個子系統進行集成。

1.2 太陽能熱水系統

太陽能熱水系統包括太陽能集熱器、蓄熱水箱、循環水泵、地板采暖系統、系統控制柜、觸摸屏,還包括輔助電加熱器、熱表、溫度傳感器、液位傳感器等。該系統采用平板型太陽能集熱器。蓄熱水箱可以儲存熱水,使熱水在太陽能集熱器和水箱之間不斷循環。循環水泵是工作介質運行的動力。該太陽能熱水系統產生的熱水主要是供給實驗房間的地板采暖系統。輔助電加熱器可以在太陽能不足時給水箱輔助加熱。溫度傳感器監測各點的溫度值,液位傳感器主要是用來監測水箱的水位。系統控制柜和觸摸屏與前文光伏發電系統所述的原理及作用相同。

1.3 風力離網發電系統

風力離網發電系統包括水平軸和垂直軸風力發電機、蓄電池組、系統控制柜、觸摸屏。水平軸和垂直軸風力發電機是將風能轉換為電能的主要裝置,蓄電池組、系統控制柜、觸摸屏與前文光伏發電系統所述的原理及作用相同。

2 實驗平臺運行控制原理

2.1 光伏發電系統的運行控制原理

由于幾類光伏發電系統的原理基本類似,現以單晶離網太陽能光伏發電系統為例進行說明。單晶離網光伏發電系統原理圖見圖2。采用8塊工作電壓為24 V、功率250 W的單晶硅太陽能光伏板,兩塊串聯之后再并聯接入匯流箱。從匯流箱接出的兩組接頭分別經過光伏發電手動開關K1/K2和光伏發電自動開關KM1/KM2。直流電壓傳感器HEC1測量從太陽能光伏板輸出的直流電壓,該輸出電壓經過固態調功模塊進行功率調節,從而跟蹤太陽能光伏發電的最大功率點。直流電流傳感器HECO1測量經過固態調功模塊調節之后的電流值,該電流為蓄電池組充電。直流電流傳感器HECO2測量從光伏板和電池組輸出的電流代數和,該電流也是輸入逆變器的直流電流。蓄電池一方面可以儲存從光伏板輸出的電流,另一方面也為IO采集板和觸摸屏提供直流電源。

圖2 單晶離網光伏發電系統原理圖

開關K3和KM3分別為光伏逆變器的手動開關和自動開關。從太陽能光伏板輸出的直流電壓經過熔斷保護裝置FU1進入離網逆變器后,轉換為220 V、50 Hz的交流電壓。交流電壓傳感器HEC03測量從逆變器輸出的交流電壓值,經過負載開關K4和熔斷保護裝置FU2之后為負載供電,其中電度表計量負載的總用電量。KM4/KM5為負載自動開關，當太陽光照不足,或者蓄電池電流不足時,可以打開市電充電開關,為負載供電,或者是為蓄電池充電。

2.2 太陽能熱水系統運行控制原理

太陽能熱水系統原理圖見圖3。位于樓頂的太陽能集熱器吸收太陽輻射熱,并將熱量傳給工作介質,工作介質在循環水泵的驅動下,在集熱器和蓄熱水箱之間循環。蓄熱水箱中的熱水輸送到地板采暖房間,演示地板采暖的過程原理,還可以直接供給用戶使用。

圖3 太陽能熱水系統原理圖

在太陽能集熱器和水箱、水箱和采暖系統之間分別設置集熱熱量表和采暖熱量表,并將熱量表分別接至熱表模塊的COM1口和COM2口,讀取累計熱量、累計流量、熱功率等數值。在集熱器的出口設置溫度傳感器,在水箱內部分別設置溫度傳感器和液位傳感器,通過IO采集板讀取實時溫度值和水位值,并實時監控補水閥狀態、輔助電加熱器狀態、循環水泵運行狀態。當集熱器出口和蓄熱水箱的溫差超過設定值時,自動開啟集熱循環泵,當溫差小于設定值時,循環泵關閉；當水箱水位低于設定值時,自動開啟補水閥進行補水,到達水位上限時,自動關閉補水閥。分別采集地板采暖房間的溫度、濕度,并將溫濕度數據傳輸到觸摸屏顯示,當房間的溫度不滿足設定要求時,自動開啟采暖循環泵。IO采集板測得的量值,都通過RS-485通信并傳輸到觸摸屏進行顯示。

2.3 風力離網發電系統運行控制原理

圖4為風力離網發電系統的原理圖。該系統共有2個風力發電機,一個是水平軸風力發電機,另一個是垂直軸風力發電機。從風力發電機輸出的交流電壓經過整流濾波,轉變為直流電壓,再經過離網逆變器轉換為交流電壓,為負載供電。

圖4 風力離網發電系統原理圖

開關K6/K7為風力發電手動開關。HEC1/HEC2為交流電壓傳感器,測量從風力發電機輸出的交流電壓；HECO1/HECO2為交流電流傳感器,測量從風力發電機輸出的交流電流。根據測得的交流電壓值,可以計量風機的轉速。從水平軸和垂直軸風力發電機輸出的交流電壓,經過手動開關K1/K2和自動開關KM1/KM2接入負載電路,正常情況下開關斷開,當風力發電機轉速過快或者是蓄電池已經充滿時,開關KM1/KM2自動閉合接入負載,從而避免輸出電壓太高而對系統造成的損害。該交流電經過整流濾波變為直流電流,給蓄電池組充電,HECO3/HECO4為直流電流傳感器,測量經過整流濾波之后的電流值,其余部分原理與單晶離網發電系統原理相同。

3 系統連接與人機交互界面設計

3.1 系統連接

各個子系統設計完成后,需要將各個子系統連接成為一個整體系統,以滿足系統監測、本地控制和遠程控制功能。

如圖5所示,控制柜內的IO采集板通過RS-485通信協議與觸摸屏相連,從而顯示系統運行信息；操作觸摸屏的監控信息也可以傳輸到IO采集板,采集板再驅動執行器動作,達到控制的目的。

圖5 系統連接原理圖

幾個子系統的觸摸屏通過交換機連為一體,交換機再與JACE控制器相連,該控制器在一個小型緊湊的平臺上能夠提供互聯網連接和Web服務的能力,具備集成控制、監視、數據記錄、報警、日歷和網絡管理等

功能,即相當于一臺網絡功能強大的小型計算機。JACE控制器通過網線與路由器相連后,將路由器WAN口接入Internet,將系統信息進行上傳,這樣網絡客戶端就可以通過網絡對該實驗平臺進行訪問,實現遠程網絡訪問與控制功能。

安裝有Niagara軟件平臺的現場工業控制計算機與路由器的LAN口相連,Niagara是 Tridium公司所

研發的設計用于解決設備連接應用的軟件框架平臺技術,用于將多個基于Niagara框架的JACE控制器協同在一起,同時具有數據記錄、存檔、報警、實時圖形頁面、時間計劃、系統級數據庫管理，以及與企業軟件應用的集成[5],該現場控制計算機與JACE控制器連成一個局域網,可以訪問整個系統的所有運行數據,實現對實驗平臺的現場控制與管理。

3.2 人機交互界面設計

本實驗平臺通過MCGS組態軟件設計好人機交互觸摸屏界面及控制邏輯程序,再下載到觸摸屏進行顯示。通過手動操作設計好的觸摸屏界面,可以設置系統運行參數并控制系統運行。

單晶離網發電系統和風力離網發電系統的觸摸屏界面基本相同,如圖6所示,分別是系統主界面、參數設置界面、狀態查詢界面、手動控制界面、退出系統5項。系統主界面顯示了系統的原理運行圖,并顯示系統各處的運行狀態信息；參數設置界面可以設置充電電壓、放電電壓的極限值,IO采集板各個通道的采集量程；狀態查詢界面顯示了系統運行的歷史曲線；手動控制界面可以手動設置各個開關的開閉,可以在界面下對系統進行調試；退出系統表示退出系統界面。

圖6 單晶離網發電系統觸摸屏界面

太陽能熱水系統分為系統主界面(見圖7)、控制器數據界面、熱量表數據界面、采集板數據界面、硬件設置界面。系統主界面顯示了系統的原理運行圖,并顯示字體各處的運行狀態信息；控制器數據界面顯示了控制器采集的各項信息；熱量表數據界面顯示了熱量表采集的各項數據信息；采集板數據界面顯示了地板采暖房間的溫濕度、房間的設定溫度；硬件設置界面顯示了IO采集板各個通道的采集量程。

圖7 太陽能熱水系統界面

4 結語

該新能源利用綜合演示實驗平臺綜合了太陽能、風能等多種不同新能源利用形式,并針對教學需要設計了人機友好的操作界面和網絡訪問功能,比單一的或是不具備人機交互界面的新能源利用平臺,更能直觀生動地演示光伏發電系統、太陽能熱水系統及風力發電系統的過程及原理。實踐證明,該綜合演示實驗平臺運行良好,達到了預期的目的,可促進高校能源與電氣相關專業在太陽能等新能源利用方面的實驗教學和科學研究。

References)

[1] 閻娜. 光伏發電系統實驗臺設計與搭建[J]. 實驗技術與管理,2012,29(12):71-74.

[2] 曠玉輝,王如竹,于立強. 太陽能熱泵供熱系統的實驗研究[J]. 太陽能報,2002(4):408-413.

[3] 李冰. 嵌入式多功能數字控制綜合實驗臺的研究[D]. 天津:天津大學,2007.

[4] 孔娟. 太陽能光伏發電系統的研究[D].青島：青島大學,2006.

[5] 唐覺民. 基于Niagara AX 構建樓宇設施管理平臺的探討[J]. 智能建筑與城市信息,2012(7):62-67.

Development of demonstration experimental platform for new energy utilization

Yuan Xiaoping,Lou Chengzhi, Tian Hao, Ge Rongyang

(School of Environment Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

A comprehensive experimental platform for new energy utilization is developed for a college in Tianjin. The experimental platform includes seven new energy conversion and utilization subsystems which can be divided into the following three categories: photoelectric conversion, wind-to-electricity conversion, and solar-to-thermal conversion. For each subsystem, energy conversion, energy transmission, operational control, energy utilization, and man-machine interaction are designed. By using the self-developed data acquisition board to acquire data, by applying MCGS configuration software to the design of the man-machine interface, and through the JACE network controller, all the subsystems are integrated, and the advanced Niagara frame platform is used for the access control over the entire platform system. The practice proves that this comprehensive experimental platform can well demonstrate the process and principles of the new energy conversion and utilization, and achieve the purpose of teaching and research.

demonstration experimental platform; photovoltaic power generation system; wind power generation system; solar hot water system; man-machine interface

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.023

2016-05-12 修改日期：2016-10-17

袁小平(1980—)，男，河北張家口，碩士，工程師，從事暖通設計及控制方面的工作

E-mail：yxp801209@163.com

婁承芝(1957—)，男，天津，學士，高級工程師，主要從事暖通空調領域自動化控制研究.

E-mail：czlou@tju.edu.cn

TM61; G484

A

1002-4956(2017)1-0098-06