太阳能发电跟踪装置远程测试系统的研究

秦佳妮，陈 捷，封 杨

（南京工业大学 机械与动力工程学院，江苏 南京 210009）

1 引言

伴随社会的不断进步，经济及人口等各个方面都有了一定的改观，能源消耗自然就上升到一个新的层次。而当前化石能源逐渐枯竭，太阳能作为清洁能源之一，其取之不尽，用之不竭，最终将是人类的最佳选择。鉴于此，太阳能光伏，光热行业迅速兴起。传统太阳能发电系统均为固定式，发电效率低，不能充分利用太阳能。为提高太阳能资源的利用，国内外的学者相继开发出各种跟踪式太阳能发电系统在太阳能跟踪装置研究中，文献[1]利用天文计算和最小二乘法计算校准得出太阳能跟踪装置。文献[2]利用一种高精度传感器，设计出最大功率点跟踪的双轴跟踪装置。但跟踪式装置总是不定时的出现问题，例如风沙大的原因导致减速机出现故障机轴承变形支架变形等问题，跟踪器的故障，转动系统失灵使得跟踪器不能有效工作也是常见的问题。而对于一个大的太阳能发电站，其有成千上万的跟踪装置，如有一个出现问题，则将会降低效率。对于此，国内外学者对太能发电数据监测研究较多，而对于跟踪装置监测研究较少，本系统在原有监测系统的基础上，增加了对跟踪装置的研究，开发出具有远程监测功能的测试系统，使太阳能发电系统更加安全可靠的运行。

2 跟踪装置的工作原理及组成

2.1 跟踪装置的工作原理

当前国际领域内采取多种太阳能发电跟踪装置，其中，最常见的两种方式分别为光电跟踪及视日运动轨迹跟踪[3]。传统意义上的光电跟踪式借助一级传感设备来完成跟踪过程，从原则上来说此类跟踪装置离不开三个构成部分，分别为跟踪头、位置检测器及控制组件。位置检测器主要由光敏传感器构成，并对光敏传感器进行挑选，再将通过控制组件接收来源于位置检测器的微弱信号放大，输送至作为执行元件的跟踪头处。视日运动轨迹跟踪是借助天文学理论，对理论上的太阳运行轨迹的数据进行推算，以此来保证跟踪设备能够有效完成太阳的跟踪控制任务。而采用的装置相当于太阳运动轨迹跟踪装置，其利用计算得出每小时或每分钟转动的角度进行时控。这种控制相对简单但是精度不够准确。

2.2 跟踪装置的组成

太阳能发电跟踪装置主要由三部分构成：机械结构、控制结构和驱动结构。机械结构即为其支架结构，支撑整个太阳能板，并且满足系统正常工作时的变形量；控制结构主要对整个太阳能板的转动角度进行控制，使太阳能得到充分利用；驱动结构是太阳能板转动的动力源。根据驱动结构的不同，可以分为连杆驱动和回转式减速器驱动。

3 远程测试系统设计

3.1 测试系统的总体结构

由于太阳能发电站有成千上万个太阳能板组成，因此也存在成千上万个跟踪装置，为获得跟踪装置健康状态的参数，就必须安装多个不同类型的传感器。并将这些传感器分散的布置在跟踪装置上。而且一般太阳能发电站的规模很大，需要将跟踪装置按一定距离分开布置，并要求具有远程数据采集及传输功能的数据采集系统。另外由于通讯方式是网络化监测系统的重要组成成分，选择合适的通讯方式对整个系统而言也很重要。再加之测试现场实际情况复杂，不确定因素较多，所选择的通讯方式必须能不受距离限制，具有远距离传输的功能，还需要考虑经济性的要求[4]。在对上述原因进行综合考虑后，设计了跟踪装置的整体结构，如图1所示。

图1 远程测试系统的总体结构Fig.1 Overall Structure of Remote Test System

如图1所示，跟踪装置工作时产生的各种信号通过传感器传到信号调理装置，并且转化为标准信号，并最终进入数据采集卡。数据采集卡采集到的信号经过PXI总线传送给现场的服务器，在服务器进行数据保存。网络技术的飞速发展给远程测试系统提供了方便的途径，利用Internet网络连接太阳能发电现场和远程测试中心将是一个很好的选择。利用LabVIEW提供的WEB服务器技术，用户能在远程计算机上通过网页或LabVIEW连接本地VI前面板，能够实时的进行监测。

3.2 测试系统硬件组成

此监测体系必须具备两大特性，其一是可以实时检测太阳能发电体系的实际运转状况，二是对跟踪装置进行监测并对其进行故障分析。光照强度直接决定着太阳能的能力输出，如图2所示，光照强度越强，其电池输出性能越强。不仅如此，太阳板及环境的温度、风力情况等有关自然环境也会对其产生干扰，如图3所示，温度越高，电池输出性能越强。跟踪装置中的动力装置是最容易产生故障的场所之一。对与回转式系统而言，其故障易出现在回转式减速器接触部分。由于其转动的较为缓慢，磨损较小，可以测量其位移。而对于连杆驱动式跟踪系统，在转动时通过连杆带动轴承转动，在带动太阳能板转动，对于其的监测，可以测量其加速度，位移等。综上所述，针对槽式发电体系，在整个体系内部需要对下列各参数进行测量：（1）太阳板及周边环境的温度、光照及辐射强度、风力速度；（2）集热管进出口温度；（3）太阳能板的转动幅度、加速度及噪声情况；（4）电机电流量及驱动结构位移。

图2 不同光照强度下下光伏组件P-V特性的变化趋势Fig.2 P-V Characteristic Change Trend of PV Modules Under Different Light Intensities

图4 系统硬件结构示意图Fig.4 Structure Diagram of Hardware System

图3 不同温度下光伏电池P-V特性的变化趋势Fig.3 P-V Characteristic Change Trends of Photovoltaic Cell at Different Temperatures

本测试体系的核心采用的是PXI硬件，主要涵盖PXI数据采集调理、PXI嵌入式控制设备及PXI机箱等多个结构[5]。本系统硬件结构的构成，如图4所示。4-20mA是光照、温度及风力等普通传感设备的输出电流标准，且与PXI6238数据采集卡之间通过TB接线盒连接；加速度和噪声传感器的输出形式则为（0～10）V的电压输出，且与PXIe4492数据采集卡连接；而对于驱动装置的磨损量测量是本系统的关键所在，需要在整个转动过程中测量，且其磨损较小，考虑到测量的精度，选择无接触测量方法。选用美国MTI的激光位移传感器，通过RS485通信协议，以USB接口的形式与嵌入式控制器PXIe8135连接。

3.3 测试系统软件组成

测试系统的软件设计遵循模块化的设计思想，各组成模块功能独立，程序功能易于扩展和维护[6]。对此测试系统不同的功能性构成进行了详细的展示，如图5所示。

图5 测试系统软件功能模块Fig.5 Test Systems of Software Modules

从功能角度来说，测试系统软件只要涵盖下列五个部分，分别为：（1）参数设置模块：实现测量物理量和电信号值之间的线性变换，包括采样频率和采样点数的设置。（2）数据采集模块：通过硬件配置实现对温度、照度、风速风向、倾角、位移、加速度、噪声等多种静动态参数的采集。（3）数据显示模块：试验过程中试验数据按照数字、曲线或表格的形式显示在前面板上。（4）数据保存模块：试验过程中试验数据按照指定的TDMS格式保存在指定的路径。（5）数据处理模块：根据试验需要提取相应的试验数据，按照一定的算法功能进行数据的处理。对于时域分析等类的静态参数来说，动态参数的信号处理能力更强，比如功率谱、小波及时频等均具有对应处理方式。从试验本身出发，试验台测试系统划分为多个分支模块，借助规定途径逐个对分支模块记性试验，此为测试主程序的主要内容。程序通过应用子面板技术调用指定路径的试验模块，比主从程序结构和生产者、消费者程序结构简洁许多，内存利用率也降低不少。对主要测试程序及前面板进行了详细展示，如图6所示。

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

3.4 基于TCP的通信构架

本系统借助互联网通信技术实现了远程监控环节。当前各类软件未来均朝向借助互联网实现资料共享的方向发展，LabVIEW软件便是此背景下的产物，其互联网通讯技术十分先进。当前在互联网协议中，应用最广泛，成就最强的当属TCP/IP协议，其在开放及实用两个方面的特性十分理想，在所有协议群中，其占据基础地位，在TCP/IP协议系统内，负责传输层协议的是TCP，其网络层协议则是应用的IP[7]。TCP协议是相对面向连接来说的，进行点与点之间的通信，其支持信息由此计算机向另一台计算机进行传递。用户在LabVIEW的作用下成功获得了以TCP为基础的通信函数，其存在于LabVIEW的协议面板之中。此举使使用者在编程时只需在TCP模块内对其所需的VI子系统及TCPVI进行选择。完整的TCP数据传输流程包括下列几个环节：发送端对请求连接指令进行传输-接收端接收请求予以回答同时实现连接-数据传输-连接关闭-过程结束[8]。其结构，如图7所示。基于上述架构开发的LabVIEW服务端程序，如图8所示。此架构旨在提供一对多或多对一的C-S通讯机制，同时对各种可能的错误进行了相应的自动处理，提高了TCP通讯的有效性和可靠性。

图7 服务器客户端工作流程Fig.7 Workflow of Server and Client

图8 服务器端构架Fig.8 Server Architecture

4 实验验证

本实验最终目的是对大型光伏光热发电跟踪系统进行监测，明确其可能出现的故障。确定试验时间，实验地点及工况，记录实验数据，对于实验结果进行分析评论，并最终选择进行故障分析的参数。首先，进行实验准备，准备必要的工具，选择合适的测点，如图9所示。安装固定好传感器和其他相关测试设备，根据设计的试验计划进行试验。本测试系统是针对太阳能发电跟踪系统而开发的，具有通用性，能够满足多种物理量和几何量的测试需求。其次根据测试系统的主程序上的内容项目进行数据的采集显示和保存，其中包括温度、照度、风速风向、倾角、位移、加速度和噪声等。而且规定时间内会主动完成数据存储任务。系统的远程测试界面，如图10所示。

图9 传感器及测试系统的现场安装Fig.9 Site Installation of Sensor and Test System

图10 运程测试界面Fig.10 Fortune Test Interface

5 结论

设计一套关于太阳能发电装置的测试系统。首先，了解太阳能发电原理及组成，并且通过查阅资料提出测试系统要求，并成功的搭建测试系统。测试系统经过现场试验验证满足系统的设计要求，并能对太阳能发电装置进行在线测量。但是还存在一些不足，本系统只是将试验数据进行保存，后期应将数据库技术与虚拟仪器技术相结合，实现对数据库的各种操作，为以后在工业测试中建立综合型测控系统做准备。

［1］Zhong Ran Zhang，Yuan MA，Bo Jiao，Tong Liang Liu.Solar Tracking Device Based on Electronic Compass and Accelerometer［J］.Advanced Materials Research，2014，3265（981）：522-525.

［2］Hassan Fathabadi.Novel high accurate sensorless dual-axis solar tracking system controlled by maximum power point tracking unit of photovoltaic systems［J］.Applied Energy，2016（3）：109

［3］宁铎，张婷，李斌.基于DSP的独立式光伏发电系统的研究［J］.电源技术，2013（5）：785-787.（Ning Duo，Zhang Ting，Li Bin.Research on stand-alone photovoltaic generation system based on DSP［J］.Power Technology，2013（5）：785-787.）

［4］严吉倩，王光辉.基于虚拟仪器的风机远程监测系统［J］.现代电子技术，2014，37（2）：153-156.（Yang Ji-qian，Wang Guang-hui.Virtual instrument based remote monitoring system of fan［J］.Modern Electronic Technology，2014，37（2）：153-156.）

［5］L.Giannone，T.Eich.Data acquisition and real-time bolometer tomography using LabVIEW RT ［J］.Fusion Engineering and Design，2011（86）：1129-1132

［6］Lin Wang，Yingying Tan，Xiaolong Cui and Hongli Cui.The Application of LabVIEW in Data Acquisition System of Solar Absorption Refrigerator［J］.Sciverse Science Direct，2012（16）：1496-1502

［7］吴涛，李功宇.基于LabVIEW远程测控系统网络数据通信方法研究［J］.电气自动化，2008，30（6）：65-66（Wu Tao，Li Gong-yu.Research on the Methods of Network Communication in Remote Measurement and Control Based on LabVIEW［J］.Electric Automation，2008，30（6）：65-66）

［8］丁霞，司文娟，王福明.基于LabVIEW的远程虚拟仪器测试技术［J］.计算机与网络，2011（2）：223-224.（Ding Xia，Si Wen-juan，Wang Fu-ming.The testing technology of Remote Virtual Instruments Based on LabVIEW［J］.Computer and Network，2011（2）：223-224.）