新能源利用综合演示实验平台研制

袁小平， 娄承芝， 田 浩， 葛荣阳

(天津大学 环境科学与工程学院， 天津 300072)

新能源利用综合演示实验平台研制

袁小平， 娄承芝， 田 浩， 葛荣阳

(天津大学 环境科学与工程学院， 天津 300072)

研制了一个新能源利用综合演示实验平台，该综合演示实验平台共包括7个新能源转化利用的子系统，分为光电转换、风电转换、光热转换三类，每个子系统设计了能量转换、能量传输、运行控制、能量利用及人机交互等部件。利用自行开发的数据采集板采集数据，用MCGS组态软件设计人机交互界面，通过JACE网络控制器将各个子系统进行集成，并利用先进的Niagara框架平台对整个平台系统进行访问控制。实践证明，该综合演示实验平台可以很好地演示新能源转化利用的过程及原理，达到了教学及科研的目的。

演示实验平台； 光伏发电系统； 风力发电系统； 太阳能热水系统； 人机交互界面

在国家大力推行节能减排的大背景下,太阳能、风能等新能源的开发利用正在快速发展。许多高校为了促进该领域的发展,建立了新能源利用的实验平台，近些年来更多更先进的实验平台不断涌现。以太阳能应用领域为例,如电子科技大学搭建了离网型及并网型光伏发电实验系统,以此来测试太阳能发电的利用效率[1]；上海交通大学的太阳能热泵供热系统实验台,利用该实验台可以实现太阳能热泵冬季供暖工况的实验研究[2]。但是这些实验台大多是单一能源利用系统,不利于对综合性的实验进行教学研究[3]。此外,这些实验台大多没有人机交互的部分,学生很难直观了解系统的运行过程和原理。

本综合演示实验平台(以下简称实验平台)吸收了国内外先进实验平台的设计经验,研制了一套太阳能、风能综合利用实验平台, 在单一系统实验台的基础之上,不仅综合了多种形式的光伏发电系统,还综合了风力发电系统和太阳能热水系统。另外该实验台的每个系统都通过触摸屏来显示系统的运行信息,通过操作触摸屏来控制系统运行,用户也可以通过网络对系统进行远程访问,实现了很好的演示效果,目前已经成为天津市高水平示范项目。

1 实验平台设计概况及组成

如图1所示,该实验平台共包括7个应用系统,分别是2 kW薄膜离网发电系统、3 kW薄膜并网发电系统、2 kW单晶离网发电系统、2 kW多晶离网发电系统、2 kW单晶离网太阳能追日发电系统、2 kW风力离网发电系统、1 t太阳能热水系统。太阳能、风能转化为电能后连接负载使用,太阳能转化为热能后供房间采暖使用。每个系统配备有相应的控制柜,通过控制柜内的触摸屏连接到JACE600网络控制器,网络控制器配合路由器将信息传至Internet,这样网络客户端可以通过互联网访问该实验平台,现场计算机实现对现场设备的访问控制。

图1 综合演示实验平台系统原理图

1.1 太阳能发电系统

太阳能发电系统包括太阳能光伏板、汇流箱、蓄电池、逆变器、系统控制柜。太阳能光伏板表面的一层半导体薄片受到太阳照射产生一定的电势差,即产生光伏效应。能产生光伏效应的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉等[4]。本系统分别采用了单晶、多晶、非晶三类太阳能光伏板本。5个太阳能光伏发电系统可以分别演示不同形式的太阳能光伏板发电原理、发电效率的区别及特点,离网系统和并网系统的区别及特点。

为了减少太阳能光伏板与逆变器之间的连接线、方便维护,在太阳能光伏板与逆变器之间增加直流汇流箱,它还具有汇流、防雷的功能。太阳能光伏板转换的电能输送给蓄电池进行储存,当电力不足时蓄电池放电,蓄电池同时为控制柜内设备的正常运行提供直流电源。

系统控制柜内包含IO采集板、手动开关、接触器、电压电流传感器、逆变器、触摸屏等。IO采集板为自行设计的多功能信号采集控制板,核心为一块89C55CPU,它具有12路模拟量输入通道、2路模拟量输出通道、8路数字量输入通道、8路数字量输出通道,还具有485总线传输功能,主要完成对系统运行数据的采集及各类执行器的运行控制,并且完成与触摸屏之间的通信。电压/电流传感器采用霍尔电压/电流传感器,该传感器可以将电压/电流值转变为0～10 V电压信号,并输入IO采集板,完成电压/电流值的测量。手动开关一般在系统调试的时候使用；自动开关(接触器)在IO采集板的控制下,自动完成系统开闭操作。逆变器把太阳能光伏板产生的直流电转变成交流电供负载使用。触摸屏使用的是TPC1061Ti,它是一套以先进的Cortex-A8 CPU为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏,该触摸屏预装了MCGS嵌入式组态软件,具备强大的图像显示和数据处理功能,并且带有485通信接口和网络接口,其中485通信接口能与IO采集板相连,从而显示系统的各项运行信息；网络接口与JACE控制器相连,从而将各个子系统进行集成。

1.2 太阳能热水系统

太阳能热水系统包括太阳能集热器、蓄热水箱、循环水泵、地板采暖系统、系统控制柜、触摸屏,还包括辅助电加热器、热表、温度传感器、液位传感器等。该系统采用平板型太阳能集热器。蓄热水箱可以储存热水,使热水在太阳能集热器和水箱之间不断循环。循环水泵是工作介质运行的动力。该太阳能热水系统产生的热水主要是供给实验房间的地板采暖系统。辅助电加热器可以在太阳能不足时给水箱辅助加热。温度传感器监测各点的温度值,液位传感器主要是用来监测水箱的水位。系统控制柜和触摸屏与前文光伏发电系统所述的原理及作用相同。

1.3 风力离网发电系统

风力离网发电系统包括水平轴和垂直轴风力发电机、蓄电池组、系统控制柜、触摸屏。水平轴和垂直轴风力发电机是将风能转换为电能的主要装置,蓄电池组、系统控制柜、触摸屏与前文光伏发电系统所述的原理及作用相同。

2 实验平台运行控制原理

2.1 光伏发电系统的运行控制原理

由于几类光伏发电系统的原理基本类似,现以单晶离网太阳能光伏发电系统为例进行说明。单晶离网光伏发电系统原理图见图2。采用8块工作电压为24 V、功率250 W的单晶硅太阳能光伏板,两块串联之后再并联接入汇流箱。从汇流箱接出的两组接头分别经过光伏发电手动开关K1/K2和光伏发电自动开关KM1/KM2。直流电压传感器HEC1测量从太阳能光伏板输出的直流电压,该输出电压经过固态调功模块进行功率调节,从而跟踪太阳能光伏发电的最大功率点。直流电流传感器HECO1测量经过固态调功模块调节之后的电流值,该电流为蓄电池组充电。直流电流传感器HECO2测量从光伏板和电池组输出的电流代数和,该电流也是输入逆变器的直流电流。蓄电池一方面可以储存从光伏板输出的电流,另一方面也为IO采集板和触摸屏提供直流电源。

图2 单晶离网光伏发电系统原理图

开关K3和KM3分别为光伏逆变器的手动开关和自动开关。从太阳能光伏板输出的直流电压经过熔断保护装置FU1进入离网逆变器后,转换为220 V、50 Hz的交流电压。交流电压传感器HEC03测量从逆变器输出的交流电压值,经过负载开关K4和熔断保护装置FU2之后为负载供电,其中电度表计量负载的总用电量。KM4/KM5为负载自动开关，当太阳光照不足,或者蓄电池电流不足时,可以打开市电充电开关,为负载供电,或者是为蓄电池充电。

2.2 太阳能热水系统运行控制原理

太阳能热水系统原理图见图3。位于楼顶的太阳能集热器吸收太阳辐射热,并将热量传给工作介质,工作介质在循环水泵的驱动下,在集热器和蓄热水箱之间循环。蓄热水箱中的热水输送到地板采暖房间,演示地板采暖的过程原理,还可以直接供给用户使用。

图3 太阳能热水系统原理图

在太阳能集热器和水箱、水箱和采暖系统之间分别设置集热热量表和采暖热量表,并将热量表分别接至热表模块的COM1口和COM2口,读取累计热量、累计流量、热功率等数值。在集热器的出口设置温度传感器,在水箱内部分别设置温度传感器和液位传感器,通过IO采集板读取实时温度值和水位值,并实时监控补水阀状态、辅助电加热器状态、循环水泵运行状态。当集热器出口和蓄热水箱的温差超过设定值时,自动开启集热循环泵,当温差小于设定值时,循环泵关闭；当水箱水位低于设定值时,自动开启补水阀进行补水,到达水位上限时,自动关闭补水阀。分别采集地板采暖房间的温度、湿度,并将温湿度数据传输到触摸屏显示,当房间的温度不满足设定要求时,自动开启采暖循环泵。IO采集板测得的量值,都通过RS-485通信并传输到触摸屏进行显示。

2.3 风力离网发电系统运行控制原理

图4为风力离网发电系统的原理图。该系统共有2个风力发电机,一个是水平轴风力发电机,另一个是垂直轴风力发电机。从风力发电机输出的交流电压经过整流滤波,转变为直流电压,再经过离网逆变器转换为交流电压,为负载供电。

图4 风力离网发电系统原理图

开关K6/K7为风力发电手动开关。HEC1/HEC2为交流电压传感器,测量从风力发电机输出的交流电压；HECO1/HECO2为交流电流传感器,测量从风力发电机输出的交流电流。根据测得的交流电压值,可以计量风机的转速。从水平轴和垂直轴风力发电机输出的交流电压,经过手动开关K1/K2和自动开关KM1/KM2接入负载电路,正常情况下开关断开,当风力发电机转速过快或者是蓄电池已经充满时,开关KM1/KM2自动闭合接入负载,从而避免输出电压太高而对系统造成的损害。该交流电经过整流滤波变为直流电流,给蓄电池组充电,HECO3/HECO4为直流电流传感器,测量经过整流滤波之后的电流值,其余部分原理与单晶离网发电系统原理相同。

3 系统连接与人机交互界面设计

3.1 系统连接

各个子系统设计完成后,需要将各个子系统连接成为一个整体系统,以满足系统监测、本地控制和远程控制功能。

如图5所示,控制柜内的IO采集板通过RS-485通信协议与触摸屏相连,从而显示系统运行信息；操作触摸屏的监控信息也可以传输到IO采集板,采集板再驱动执行器动作,达到控制的目的。

图5 系统连接原理图

几个子系统的触摸屏通过交换机连为一体,交换机再与JACE控制器相连,该控制器在一个小型紧凑的平台上能够提供互联网连接和Web服务的能力,具备集成控制、监视、数据记录、报警、日历和网络管理等

功能,即相当于一台网络功能强大的小型计算机。JACE控制器通过网线与路由器相连后,将路由器WAN口接入Internet,将系统信息进行上传,这样网络客户端就可以通过网络对该实验平台进行访问,实现远程网络访问与控制功能。

安装有Niagara软件平台的现场工业控制计算机与路由器的LAN口相连,Niagara是 Tridium公司所

研发的设计用于解决设备连接应用的软件框架平台技术,用于将多个基于Niagara框架的JACE控制器协同在一起,同时具有数据记录、存档、报警、实时图形页面、时间计划、系统级数据库管理，以及与企业软件应用的集成[5],该现场控制计算机与JACE控制器连成一个局域网,可以访问整个系统的所有运行数据,实现对实验平台的现场控制与管理。

3.2 人机交互界面设计

本实验平台通过MCGS组态软件设计好人机交互触摸屏界面及控制逻辑程序,再下载到触摸屏进行显示。通过手动操作设计好的触摸屏界面,可以设置系统运行参数并控制系统运行。

单晶离网发电系统和风力离网发电系统的触摸屏界面基本相同,如图6所示,分别是系统主界面、参数设置界面、状态查询界面、手动控制界面、退出系统5项。系统主界面显示了系统的原理运行图,并显示系统各处的运行状态信息；参数设置界面可以设置充电电压、放电电压的极限值,IO采集板各个通道的采集量程；状态查询界面显示了系统运行的历史曲线；手动控制界面可以手动设置各个开关的开闭,可以在界面下对系统进行调试；退出系统表示退出系统界面。

图6 单晶离网发电系统触摸屏界面

太阳能热水系统分为系统主界面(见图7)、控制器数据界面、热量表数据界面、采集板数据界面、硬件设置界面。系统主界面显示了系统的原理运行图,并显示字体各处的运行状态信息；控制器数据界面显示了控制器采集的各项信息；热量表数据界面显示了热量表采集的各项数据信息；采集板数据界面显示了地板采暖房间的温湿度、房间的设定温度；硬件设置界面显示了IO采集板各个通道的采集量程。

图7 太阳能热水系统界面

4 结语

该新能源利用综合演示实验平台综合了太阳能、风能等多种不同新能源利用形式,并针对教学需要设计了人机友好的操作界面和网络访问功能,比单一的或是不具备人机交互界面的新能源利用平台,更能直观生动地演示光伏发电系统、太阳能热水系统及风力发电系统的过程及原理。实践证明,该综合演示实验平台运行良好,达到了预期的目的,可促进高校能源与电气相关专业在太阳能等新能源利用方面的实验教学和科学研究。

References)

[1] 阎娜. 光伏发电系统实验台设计与搭建[J]. 实验技术与管理,2012,29(12):71-74.

[2] 旷玉辉,王如竹,于立强. 太阳能热泵供热系统的实验研究[J]. 太阳能报,2002(4):408-413.

[3] 李冰. 嵌入式多功能数字控制综合实验台的研究[D]. 天津:天津大学,2007.

[4] 孔娟. 太阳能光伏发电系统的研究[D].青岛：青岛大学,2006.

[5] 唐觉民. 基于Niagara AX 构建楼宇设施管理平台的探讨[J]. 智能建筑与城市信息,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，河北张家口，硕士，工程师，从事暖通设计及控制方面的工作

E-mail：yxp801209@163.com

娄承芝(1957—)，男，天津，学士，高级工程师，主要从事暖通空调领域自动化控制研究.

E-mail：czlou@tju.edu.cn

TM61; G484

A

1002-4956(2017)1-0098-06