太陽能發電跟蹤裝置遠程測試系統的研究

秦佳妮，陳 捷，封 楊

（南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009）

1 引言

伴隨社會的不斷進步，經濟及人口等各個方面都有了一定的改觀，能源消耗自然就上升到一個新的層次。而當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，光熱行業迅速興起。傳統太陽能發電系統均為固定式，發電效率低，不能充分利用太陽能。為提高太陽能資源的利用，國內外的學者相繼開發出各種跟蹤式太陽能發電系統在太陽能跟蹤裝置研究中，文獻[1]利用天文計算和最小二乘法計算校準得出太陽能跟蹤裝置。文獻[2]利用一種高精度傳感器，設計出最大功率點跟蹤的雙軸跟蹤裝置。但跟蹤式裝置總是不定時的出現問題，例如風沙大的原因導致減速機出現故障機軸承變形支架變形等問題，跟蹤器的故障，轉動系統失靈使得跟蹤器不能有效工作也是常見的問題。而對于一個大的太陽能發電站，其有成千上萬的跟蹤裝置，如有一個出現問題，則將會降低效率。對于此，國內外學者對太能發電數據監測研究較多，而對于跟蹤裝置監測研究較少，本系統在原有監測系統的基礎上，增加了對跟蹤裝置的研究，開發出具有遠程監測功能的測試系統，使太陽能發電系統更加安全可靠的運行。

2 跟蹤裝置的工作原理及組成

2.1 跟蹤裝置的工作原理

當前國際領域內采取多種太陽能發電跟蹤裝置，其中，最常見的兩種方式分別為光電跟蹤及視日運動軌跡跟蹤[3]。傳統意義上的光電跟蹤式借助一級傳感設備來完成跟蹤過程，從原則上來說此類跟蹤裝置離不開三個構成部分，分別為跟蹤頭、位置檢測器及控制組件。位置檢測器主要由光敏傳感器構成，并對光敏傳感器進行挑選，再將通過控制組件接收來源于位置檢測器的微弱信號放大，輸送至作為執行元件的跟蹤頭處。視日運動軌跡跟蹤是借助天文學理論，對理論上的太陽運行軌跡的數據進行推算，以此來保證跟蹤設備能夠有效完成太陽的跟蹤控制任務。而采用的裝置相當于太陽運動軌跡跟蹤裝置，其利用計算得出每小時或每分鐘轉動的角度進行時控。這種控制相對簡單但是精度不夠準確。

2.2 跟蹤裝置的組成

太陽能發電跟蹤裝置主要由三部分構成：機械結構、控制結構和驅動結構。機械結構即為其支架結構，支撐整個太陽能板，并且滿足系統正常工作時的變形量；控制結構主要對整個太陽能板的轉動角度進行控制，使太陽能得到充分利用；驅動結構是太陽能板轉動的動力源。根據驅動結構的不同，可以分為連桿驅動和回轉式減速器驅動。

3 遠程測試系統設計

3.1 測試系統的總體結構

由于太陽能發電站有成千上萬個太陽能板組成，因此也存在成千上萬個跟蹤裝置，為獲得跟蹤裝置健康狀態的參數，就必須安裝多個不同類型的傳感器。并將這些傳感器分散的布置在跟蹤裝置上。而且一般太陽能發電站的規模很大，需要將跟蹤裝置按一定距離分開布置，并要求具有遠程數據采集及傳輸功能的數據采集系統。另外由于通訊方式是網絡化監測系統的重要組成成分，選擇合適的通訊方式對整個系統而言也很重要。再加之測試現場實際情況復雜，不確定因素較多，所選擇的通訊方式必須能不受距離限制，具有遠距離傳輸的功能，還需要考慮經濟性的要求[4]。在對上述原因進行綜合考慮后，設計了跟蹤裝置的整體結構，如圖1所示。

圖1 遠程測試系統的總體結構Fig.1 Overall Structure of Remote Test System

如圖1所示，跟蹤裝置工作時產生的各種信號通過傳感器傳到信號調理裝置，并且轉化為標準信號，并最終進入數據采集卡。數據采集卡采集到的信號經過PXI總線傳送給現場的服務器，在服務器進行數據保存。網絡技術的飛速發展給遠程測試系統提供了方便的途徑，利用Internet網絡連接太陽能發電現場和遠程測試中心將是一個很好的選擇。利用LabVIEW提供的WEB服務器技術，用戶能在遠程計算機上通過網頁或LabVIEW連接本地VI前面板，能夠實時的進行監測。

3.2 測試系統硬件組成

此監測體系必須具備兩大特性，其一是可以實時檢測太陽能發電體系的實際運轉狀況，二是對跟蹤裝置進行監測并對其進行故障分析。光照強度直接決定著太陽能的能力輸出，如圖2所示，光照強度越強，其電池輸出性能越強。不僅如此，太陽板及環境的溫度、風力情況等有關自然環境也會對其產生干擾，如圖3所示，溫度越高，電池輸出性能越強。跟蹤裝置中的動力裝置是最容易產生故障的場所之一。對與回轉式系統而言，其故障易出現在回轉式減速器接觸部分。由于其轉動的較為緩慢，磨損較小，可以測量其位移。而對于連桿驅動式跟蹤系統，在轉動時通過連桿帶動軸承轉動，在帶動太陽能板轉動，對于其的監測，可以測量其加速度，位移等。綜上所述，針對槽式發電體系，在整個體系內部需要對下列各參數進行測量：（1）太陽板及周邊環境的溫度、光照及輻射強度、風力速度；（2）集熱管進出口溫度；（3）太陽能板的轉動幅度、加速度及噪聲情況；（4）電機電流量及驅動結構位移。

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

圖4 系統硬件結構示意圖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Fig.3 P-V Characteristic Change Trends of Photovoltaic Cell at Different Temperatures

本測試體系的核心采用的是PXI硬件，主要涵蓋PXI數據采集調理、PXI嵌入式控制設備及PXI機箱等多個結構[5]。本系統硬件結構的構成，如圖4所示。4-20mA是光照、溫度及風力等普通傳感設備的輸出電流標準，且與PXI6238數據采集卡之間通過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數據采集卡連接；而對于驅動裝置的磨損量測量是本系統的關鍵所在，需要在整個轉動過程中測量，且其磨損較小，考慮到測量的精度，選擇無接觸測量方法。選用美國MTI的激光位移傳感器，通過RS485通信協議，以USB接口的形式與嵌入式控制器PXIe8135連接。

3.3 測試系統軟件組成

測試系統的軟件設計遵循模塊化的設計思想，各組成模塊功能獨立，程序功能易于擴展和維護[6]。對此測試系統不同的功能性構成進行了詳細的展示，如圖5所示。

圖5 測試系統軟件功能模塊Fig.5 Test Systems of Software Modules

從功能角度來說，測試系統軟件只要涵蓋下列五個部分，分別為：（1）參數設置模塊：實現測量物理量和電信號值之間的線性變換，包括采樣頻率和采樣點數的設置。（2）數據采集模塊：通過硬件配置實現對溫度、照度、風速風向、傾角、位移、加速度、噪聲等多種靜動態參數的采集。（3）數據顯示模塊：試驗過程中試驗數據按照數字、曲線或表格的形式顯示在前面板上。（4）數據保存模塊：試驗過程中試驗數據按照指定的TDMS格式保存在指定的路徑。（5）數據處理模塊：根據試驗需要提取相應的試驗數據，按照一定的算法功能進行數據的處理。對于時域分析等類的靜態參數來說，動態參數的信號處理能力更強，比如功率譜、小波及時頻等均具有對應處理方式。從試驗本身出發，試驗臺測試系統劃分為多個分支模塊，借助規定途徑逐個對分支模塊記性試驗，此為測試主程序的主要內容。程序通過應用子面板技術調用指定路徑的試驗模塊，比主從程序結構和生產者、消費者程序結構簡潔許多，內存利用率也降低不少。對主要測試程序及前面板進行了詳細展示，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的通信構架

本系統借助互聯網通信技術實現了遠程監控環節。當前各類軟件未來均朝向借助互聯網實現資料共享的方向發展，LabVIEW軟件便是此背景下的產物，其互聯網通訊技術十分先進。當前在互聯網協議中，應用最廣泛，成就最強的當屬TCP/IP協議，其在開放及實用兩個方面的特性十分理想，在所有協議群中，其占據基礎地位，在TCP/IP協議系統內，負責傳輸層協議的是TCP，其網絡層協議則是應用的IP[7]。TCP協議是相對面向連接來說的，進行點與點之間的通信，其支持信息由此計算機向另一臺計算機進行傳遞。用戶在LabVIEW的作用下成功獲得了以TCP為基礎的通信函數，其存在于LabVIEW的協議面板之中。此舉使使用者在編程時只需在TCP模塊內對其所需的VI子系統及TCPVI進行選擇。完整的TCP數據傳輸流程包括下列幾個環節：發送端對請求連接指令進行傳輸-接收端接收請求予以回答同時實現連接-數據傳輸-連接關閉-過程結束[8]。其結構，如圖7所示。基于上述架構開發的LabVIEW服務端程序，如圖8所示。此架構旨在提供一對多或多對一的C-S通訊機制，同時對各種可能的錯誤進行了相應的自動處理，提高了TCP通訊的有效性和可靠性。

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

圖8 服務器端構架Fig.8 Server Architecture

4 實驗驗證

本實驗最終目的是對大型光伏光熱發電跟蹤系統進行監測，明確其可能出現的故障。確定試驗時間，實驗地點及工況，記錄實驗數據，對于實驗結果進行分析評論，并最終選擇進行故障分析的參數。首先，進行實驗準備，準備必要的工具，選擇合適的測點，如圖9所示。安裝固定好傳感器和其他相關測試設備，根據設計的試驗計劃進行試驗。本測試系統是針對太陽能發電跟蹤系統而開發的，具有通用性，能夠滿足多種物理量和幾何量的測試需求。其次根據測試系統的主程序上的內容項目進行數據的采集顯示和保存，其中包括溫度、照度、風速風向、傾角、位移、加速度和噪聲等。而且規定時間內會主動完成數據存儲任務。系統的遠程測試界面，如圖10所示。

圖9 傳感器及測試系統的現場安裝Fig.9 Site Installation of Sensor and Test System

圖10 運程測試界面Fig.10 Fortune Test Interface

5 結論

設計一套關于太陽能發電裝置的測試系統。首先，了解太陽能發電原理及組成，并且通過查閱資料提出測試系統要求，并成功的搭建測試系統。測試系統經過現場試驗驗證滿足系統的設計要求，并能對太陽能發電裝置進行在線測量。但是還存在一些不足，本系統只是將試驗數據進行保存，后期應將數據庫技術與虛擬儀器技術相結合，實現對數據庫的各種操作，為以后在工業測試中建立綜合型測控系統做準備。

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