Автор: Пользователь скрыл имя, 01 Июня 2013 в 07:46, дипломная работа
В выпускной работе проведен сравнительный анализ фотоэлектрических станций (ФЭС). В работе разработано программное обеспечение информационной системы сбора и обработки сигналов ФЭС и системы управления гелиостатом. Программное обеспечение реализовано в среде графического программирования LABVIEW.
Благодаря LabVIEW Real - Time, контроллеры NI cFP-20xx нашли применение в приложениях, требующих промышленного уровня надежности и комбинации аналогового и цифрового управления, например регистраторы, аналоговые регуляторы, взаимодействие с внешними последовательными устройствами, анализ в реальном времени, статистическое управление процессами и моделирование. Подобные системы "жесткого" реального времени распространены в нефтегазовой, полупроводниковой, целлюлозно-бумажной промышленностях, в водном хозяйстве и промышленном производстве.
- Интеллектуальный Ethernet контроллер
- Compact Field Point предлагает три типа контроллеров для выполнения встроенных LabVIEW приложений, удовлетворяющих требованиям конкретной задачи.
- NI cFP-2020 с отдельным Compact Flash модулем памяти
- NI cFP-2010 с 32 Мб DRAM памяти
- NI cFP-2000 с 16 Мб DRAM памяти
- Интеллектуальные модули ввода/вывода
- Большой выбор модулей аналогового и цифрового ввода/вывода для взаимодействия с промышленными датчиками и управления исполнительными механизмами.
Выбор одной из опций:
В качестве компонента солнечной энергетической установки, аккумулятор (рис 1.10) выполняет три задачи:
1.Покрывает пиковую нагрузку, которую не могут покрыть сами фотоэлектрические модули (резервный запас).
2.Дает энергию в ночное время (кратковременное хранение).
3.Компенсирует периоды
плохой погоды или слишком
высокого энергопотребления (
Емкость аккумулятора указывается в ампер-часах. К примеру, аккумулятор на 100 А-ч и 12 В может сохранять 1200 Вт-ч (12 В х 100 А-ч). Однако емкость зависит от продолжительности процесса зарядки или разрядки. Период подзарядки указывают как индекс емкости С, например, "С 100" для 100 часов. Отметим, что производители могут изготавливать аккумуляторы для разных базовых периодов. При хранении энергии в аккумуляторе определенное ее количество в процессе хранения теряется. Эффективность автомобильных батарей составляет около 75%, тогда как солнечные аккумуляторы имеют несколько лучшие показатели.
Для переносных и, периодически, демонтируемых ФЭС важным параметром оказывается компактность и герметичность. Этому требованию удовлетворяют АКБ, выполненные по технологии AGV (гелеобразный электролит, абсорбированный в пористый наполнитель). Они характеризуются отсутствием необходимости обслуживания на протяжении всего срока службы, отсутствием газовыделения, способностью работать в любом положении относительно горизонтального. Правильные заряд и разряд АКБ является одним из наиболее важных условий, позволяющих обеспечить длительный срок службы АКБ. Чрезмерный заряд не только уменьшает количество электролита, но может вывести аккумуляторную батарею из строя.
Между количеством запасенного в АКБ заряда и напряжением на ней существует надежно установленное соотношение (при температуре 20оС):
При изменении температуры электролита напряжение, характеризирующее полный заряд, изменяется на 0,03 В/градус (таблица 1.1).
Т а б л и ц а 1.1 - Изменение полного заряда АКБ в зависимости от температуры
Температура батареи,оС |
Напряжение,В |
0 |
15 |
10 |
14,7 |
20 |
14,4 |
30 |
14,1 |
Для продления срока службы следует не допускать и глубокого разряда. Разряды АКБ выше уровня 50% резко снижают количество циклов заряда-разряда. Несоблюдение этого условия приводит к необходимости более частой замены АКБ, что удорожает систему.
Рисунок 1.10 – Аккумуляторы
Следует различать инверторы (рис. 1.11) с нормальной и модифицированной синусоидой на выходе. Если первая почти полностью соответствует форме напряжения в сети, то вторая, практически прямоугольной формы, подходит не всем потребителям. Например, утюг будет работать нормально, но телевизор - в пол-экрана. Кроме того прямоугольное напряжение - источник радиопомех. КПД инвертора обычно составляет 90%.
Рисунок 1.11 – Различные виды инверторов
Разработанная установка
для экспериментальных
В разрабатываемой лабораторной установке, рассматриваемой в данной дипломной работе, используются две солнечные батареи мощностью 100Вт и размерами 1м х 0,7м, так как для лабораторных работ вырабатываемой электроэнергии в 20В достаточно и использование более мощных панелей не имеет смысла. Панели собраны на кафедре промышленной теплоэнергетики (ПТЭ) АИЭС.
В рассматриваемой лабораторной установке используются более дешевые контроллеры заряда – разряда, так как основным контроллером является контроллер компании «National Instruments» Compat Field Point, в его задачи так же входит управление заряда-разряда АКБ.
В нашей лаборатории используется Compact Field Point 2020 c Flash модулем памяти, для ведения наблюдений и записи этих наблюдений в не зависимости от того включен ли компьютер или нет, так как данная модель контроллера позволяет вести запись на сменный носитель.
В нашей установке мы используем три автомобильных аккумулятора, 12В емкостью 150А*ч, так как они способны выдерживать высокую пиковую нагрузку в отличие от солнечных аккумуляторов.
В рассматриваемой лабораторной установке используется инвертор синусоидального тока мощностью 300Вт (рис. 2.1). Так как инверторы прямоугольной формы не предназначены для всех видов электрооборудования.
Рисунок 2.1 - Инвертор 300Вт
На рисунке 2.2 изображен разработанный экспериментальный стенд регулирования нагрузок и сопротивлений ФЭС. На лицевой панели установлены ручки регуляторов тока ФЭС, аккумулятора и нагрузки (электрическая лампа накаливания). Справа на стенде закреплен Compact Field Point – система сбора данных (рисунок 2.3).
На рисунке 2.4 изображена солнечная батарея. Она, питаясь от солнца, подает преобразованную энергию солнца на Compact Field Point.
Рисунок 2.2 - Экспериментальный стенд
Рисунок 2.3 - Compact Field Point
Рисунок 2.4 - Солнечная батарея
Данная ФЭС разработана для лабораторных испытаний, а также для проведения лабораторных работ по возобновляемым источникам энергии. Принцип работы ФЭС: на крыше здания АИЭС установлено две солнечные батареи на общей турели, которые передают сигналы по напряжению и току в контроллер, контроллер преобразует данные, и эти данные считывает компьютер. На компьютере данные сигналы проходят обработку и масштабирование, после чего выводятся на операторский пункт. Также на стенде есть регуляторы сопротивления для солнечной батареи, аккумуляторов и нагрузки. С помощью данных регуляторов мы строим ВАХ и считаем мощность при различных нагрузках, тем самым выявляя технические данные двух солнечных батарей. Это может использоваться для сертификации и калибровки солнечных коллекторов кустарного производства или ввозимых в нашу страну неизвестных солнечных батарей.
На основе приведенного выше описания лабораторной установки ФЭС была разработана структурная схема ФЭС, приведенная на рисунке 2.5.
Рассматриваемая в данной выпускной работе лаборатория «ФЭС» имеет 2 фотоэлектрической панели мощностью до 100 Вт (Ф), гелиостат на 5 двигателях (Г), контроллер FieldPoint (К), инвертор (И), три аккумулятора 12В и емкостью 150А*ч, система управления и сбора информации – персональный компьютер (БУ).
Данная схема отличается от схемы ФЭС, приведенной в пункте 1 на рисунке 1.1., наличием системы «Гелиостат».
Рисунок 2.5 – Структурная схема лабораторной установки ФЭС
Гелиостат - устройство для поворота солнечных панелей к солнцу под определенным углом по тангажу и азимуту. Схема гелиостата представлена на рисунке 2.6. Обозначения на рисунке:
1 – Опора;
2 – Поворотная траверса;
3 – Турель;
4 – Корзина солнечной панели;
ИМ – 1 - исполнительный механизм поворотной траверсы;
ИМ – 2, ИМ – 3 – исполнительные механизмы поворота турелей (по горизонту);
ИМ – 4, ИМ – 5 – исполнительные механизмы поворота корзины (по тангажу).
ИМ – 1, ИМ – 2, ИМ – 3 поворачиваются по азимуту.
Устройство состоит из пяти двигателей с несущей траверсой. Первый основной двигатель ИМ-1 осуществляет поворот всей траверсы по отношению к солнцу. Два двигателя ИМ-2 и ИМ-3 вращаются вокруг своей оси и относительно траверсы, и служат для поворота солнечных панелей по азимуту. Азимут – это часовой угол в градусах. Каждый час изменяется на 15° от начала отсчета 12 часов дня. Так как движение солнца параболическое, то относительно 12ти часов углы будут равны, с различием в знаке, это отображено на схеме движения солнца (рисунок 2.7). На рисунке 2.5 приведен график движения солнца для 44° северной широты - для города Алматы. Так с пяти утра до 12 дня, каждый час соответствует отрицательному углу, а после 12 до семи вечера – положительному. В данной выпускной работе ведем отсчет от пяти утра до семи вечера, так как это является солнечным днем лета, т.е. в это время мы видим солнце. Зимой данное время сокращается на 2-3 часа, но так как зимнее время входит в диапазон летнего, то составляем расчеты по летнему времени.
Рисунок 2.6 – Схема гелиостата.
Оставшиеся два двигателя ИМ-4 и ИМ-5 установлены на двух азимутальных двигателях, и вращаясь на них, служат для поворота солнечных панелей по тангажу. Так как наивысшая высота солнца над горизонтом в широте города Алматы не превышает 70°, то максимальный угол поворота по тангажу принят за 90°. В нашем случае при помощи гелиостата мы сможем менять угол наклона солнечных панелей и вычислить наилучший угол к солнцу, при котором повысится КПД.
Рисунок 2.7 - График движения солнца для 44° северной широты
ИМ – 1, ИМ – 2 и ИМ – 3 двигаются по представленной схеме на рисунке 2.8. Каждый исполнительный механизм может не зависимо друг от друга, смотря какой режим движения будет задан, двигаться в радиусе от -120° с утра до обеда, так как солнце поднимается с северо-востока, то начальный угол поворота задан на северо-востоке. Конечный угол +120° задан на северо-западе, так как солнце садится на северо-западе. Таким образом, исполнительные механизмы должны повернуть траверсу и турели в течение дня от северо-востока утром до северо-запада вечером.
ИМ – 4 и ИМ – 5 двигаются по представленной схеме на рисунке 2.9. Движение данных исполнительных механизмов осуществляется ограничено от +90° до -90°, так как данные двигатели поворачивают солнечные панели к солнцу под нужным углом. Так как максимальная высота в широтах г. Алматы примерно 70°, то именно по этой причине действует ограничение двигателей на поворот ±90° к солнцу.
Рисунок 2.8 – Схема поворота траверсы и азимутальных двигателей.
Рисунок 2.9 – Схема поворота тангажных двигателей
Для создания прикладного
программного обеспечения компьютерных
систем сбора и обработки
National Instruments LabVIEW- признанный лидер среди промышленных программных средств разработки систем моделирования, управления и тестирования. С момента появления в 1986 г. инженеры и ученые во всем мире стали применять LabVIEW на всех стадиях разработки изделий, добиваясь при этом более высокого качества, сокращая время выхода продукции на рынок, повышая эффективность проектирования и производства.
Информация о работе Автоматизация лабораторной установки "Фотоэлектрическая станция"