CPC型光伏/光熱裝置測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝澤坤，金秀章

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

CPC型光伏/光熱裝置測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝澤坤，金秀章

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

針對(duì)太陽(yáng)能光伏光熱綜合利用技術(shù)中如何有效協(xié)調(diào)光熱效率和光電效率的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種以iFIX為支撐平臺(tái)的CPC型光伏/光熱裝置測(cè)控系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)友好人機(jī)畫面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)裝置的主要運(yùn)行參數(shù)，并手/自動(dòng)調(diào)節(jié)入口水工質(zhì)流量，對(duì)光伏電池板進(jìn)行有效散熱降溫以及輸出穩(wěn)定溫度的水工質(zhì)，提高裝置的光電效率和光熱效率，從而達(dá)到高效的太陽(yáng)能熱電聯(lián)用目的。

iFIX;光伏/光熱;監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

目前，全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的諸多環(huán)保問(wèn)題已成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)煤炭、石油、天然氣等可利用化石能源終將面臨枯竭，人類依托科技進(jìn)步，開(kāi)發(fā)利用可再生能源已勢(shì)在必行。發(fā)展太陽(yáng)能利用技術(shù)對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境保護(hù)能帶來(lái)積極的意義。

太陽(yáng)能利用是當(dāng)今世界范圍內(nèi)一個(gè)重要的能源發(fā)展方向，可以減少人類對(duì)化石能源的依賴，減少二氧化碳的排放等環(huán)境污染問(wèn)題。

在太陽(yáng)能熱電聯(lián)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外不乏理論與實(shí)驗(yàn)研究，但真正意義上把該項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化為具有普遍應(yīng)用意義的太陽(yáng)能光熱利用系統(tǒng)尚無(wú)首例。因此，針對(duì) CPC型光伏/光熱裝置，提出一種CPC型光伏/光熱裝置測(cè)控系統(tǒng)，結(jié)合太陽(yáng)能光熱/光伏 (PV/T)利用技術(shù)［1～3］，在 iFIX 組態(tài)軟件平臺(tái)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種CPC型光伏/光熱裝置測(cè)控系統(tǒng)。iFIX作為自動(dòng)化監(jiān)控組態(tài)軟件，能夠靈活快速開(kāi)發(fā)友好人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)操作過(guò)程可視化、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，精確快速地監(jiān)視、控制生產(chǎn)過(guò)程，提高生產(chǎn)效率，在冶金、電力、石油化工、制藥等領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用［4～5］。

1 CPC型光伏/光熱裝置簡(jiǎn)述

CPC型光伏/光熱裝置采用復(fù)合拋物面聚光器(CPC)為光伏電池聚光所用，裝置由6個(gè)CPC—PV/T單元組件并聯(lián)構(gòu)成，CPC型光伏/光熱裝置如圖1所示。

圖1 CPC型光伏/光熱裝置結(jié)構(gòu)

裝置的下層管道采用并聯(lián)方式連接，水工質(zhì)流經(jīng)下層管道并吸收光伏電池的熱量進(jìn)入水聯(lián)箱混合后，再流經(jīng)上層蛇形管道吸收太陽(yáng)紅外光的能量進(jìn)行水工質(zhì)的再次加熱，加熱后的水工質(zhì)直接從上層蛇形管道流出。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)采用Modbus TCP/IP通信協(xié)議，在現(xiàn)場(chǎng)裝置的光伏電池板、下層6根并列流通管道和上層蛇形流通管道安裝熱電偶來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)，在水工質(zhì)入口端和出口端安裝流量計(jì)采集水流量信號(hào)，在光伏電池板上安裝電流和電壓傳感器來(lái)采集電池板的電流電壓信號(hào)，將熱電偶和電流電壓傳感器的引腳引至數(shù)據(jù)采集及控制主模塊(ADAM－5000/TCP)相應(yīng)的子模塊中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)主模塊的信號(hào)處理后，經(jīng)過(guò)交換機(jī)傳送至安裝有iFIX5．0組態(tài)軟件的工控機(jī)，控制信號(hào)通過(guò)MBE驅(qū)動(dòng)和下位數(shù)據(jù)采集及控制主模塊傳送至現(xiàn)場(chǎng)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)據(jù)通過(guò)由MBE驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)器映像表 (DIT)、報(bào)警掃描 (SAC)和過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù) (PDB)組成的數(shù)據(jù)鏈后傳送至人機(jī)畫面以報(bào)警、趨勢(shì)圖、報(bào)表等人機(jī)交互方式顯示［6］。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)變化情況，輸出控制信號(hào)，手/自動(dòng)調(diào)節(jié)入口和出口流量，對(duì)光伏電池進(jìn)行散熱，保證穩(wěn)定溫度的出口水工質(zhì)，有效提高光電效率與光熱效率。CPC型光伏/光熱裝置測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CPC型光伏/光熱裝置測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 實(shí)現(xiàn)功能

CPC型光伏/光熱裝置測(cè)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)CPC型光伏/光熱裝置溫度分布的在線采集，針對(duì)光伏電池最高溫度的實(shí)時(shí)報(bào)警，歷史/實(shí)時(shí)性能趨勢(shì)圖的在線顯示，歷史數(shù)據(jù)的手/自動(dòng)保存，對(duì)入口水工質(zhì)流量的手/自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能，通過(guò)在裝置上合理布置熱電偶，從整體上監(jiān)測(cè)整個(gè)CPC型光伏/光熱裝置的運(yùn)行參數(shù)變化情況。根據(jù)光伏電池溫度、太陽(yáng)輻射等參數(shù)變化情況，通過(guò)PID適當(dāng)調(diào)節(jié)入口水工質(zhì)流量，對(duì)光伏電池進(jìn)行有效散熱，同時(shí)也保證穩(wěn)定溫度的出口水工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)CPC型光伏/光熱裝置的電熱聯(lián)用目的。

3 測(cè)點(diǎn)布置方案

測(cè)點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝置以及研究需要靈活布置。要采集的基本參數(shù)包括光伏電池溫度、短路電流、開(kāi)路電壓、水工質(zhì)進(jìn)出口溫度、管道流量與管道壓力。采用熱電偶進(jìn)行光伏電池和管路水工質(zhì)溫度的數(shù)據(jù)采集，光伏電池溫度和流體溫度測(cè)點(diǎn)的采集信號(hào)為4～20 mA的直流電流，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊處理還原為真實(shí)值，水工質(zhì)流量控制的輸出信號(hào)為0～10 V直流電壓，下層并聯(lián)管道溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 下層管道測(cè)點(diǎn)布置示意圖

上層蛇形管道以及光伏電池板溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 上層管道及光伏電池板測(cè)點(diǎn)布置示意圖

裝置一共有6塊光伏電池板，因此在每塊光伏電池板上等距離安裝溫度測(cè)點(diǎn)，在6塊光伏電池板上共布置18個(gè)熱電偶，監(jiān)測(cè)光伏電池板溫度變化情況，及時(shí)調(diào)節(jié)入口水流量對(duì)電池板進(jìn)行降溫。在每塊光伏電池板上安置一個(gè)電壓傳感器和電流傳感器用于檢測(cè)光伏電池的短路電流和開(kāi)路電壓，共12個(gè)測(cè)點(diǎn)。

在每塊光伏電池板下方均有一根管道，在下層管道的上、中、下部安裝溫度測(cè)點(diǎn)，共布置18個(gè)熱電偶，可以監(jiān)測(cè)水工質(zhì)溫度變化情況，在光伏電池板的上層蛇形管道以等間隔的距離安裝6個(gè)熱電偶，監(jiān)測(cè)水工質(zhì)流經(jīng)上層蛇形管道的溫升情況。在水工質(zhì)入口和上層蛇形管道出口均布置一個(gè)流量測(cè)點(diǎn)，在水工質(zhì)入口處和蛇形管道出口處安裝一個(gè)變頻泵用于流量調(diào)節(jié)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 MBE驅(qū)動(dòng)

iFIX5．0與研華亞當(dāng)系列的ADAM5000/TCP采用以太網(wǎng)通訊，MBE驅(qū)動(dòng)支持Modbus TCP/IP協(xié)議，通過(guò)MBE驅(qū)動(dòng)，監(jiān)控端的iFIX從主模塊ADAM5000/TCP采集裝置現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)運(yùn)行情況，向下位的ADAM5000/TCP傳送控制信號(hào)，調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)。MBE驅(qū)動(dòng)配置界面如圖5所示。

圖5 MBE驅(qū)動(dòng)配置界面

在MBE驅(qū)動(dòng)配置界面添加通道、設(shè)備名及設(shè)備的 IP地址、數(shù)據(jù)塊名，并根據(jù)主模塊 ADAM5000/TCP地址配置的要求配置數(shù)據(jù)塊的訪問(wèn)地址。主模塊ADAM5000/TCP連接正常，地址配置正確后，在MBE驅(qū)動(dòng)配置界面能夠直接看到寄存器的值。

4.2 iFIX界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)所有的人機(jī)界面底色均采用柔和的淺藍(lán)色色調(diào)，美觀且不易造成視覺(jué)疲勞。為了直觀顯示方便的需要，將人機(jī)界面中裝置的上下層管道分開(kāi)布局，上層蛇形管道在聯(lián)箱的上方，下層并聯(lián)管道在聯(lián)箱的下方。系統(tǒng)界面主要包括熱能參數(shù)監(jiān)測(cè)、電能參數(shù)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)控制、報(bào)表瀏覽、實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線和報(bào)警一覽共7個(gè)界面。

熱能參數(shù)監(jiān)測(cè)界面除了從宏觀上顯示整個(gè)CPC型光伏/光熱裝置光伏電池和管道布局外，還可直觀看到溫度測(cè)點(diǎn)的分布及其數(shù)值的動(dòng)態(tài)變化情況，熱能參數(shù)監(jiān)測(cè)仿真界面如圖6所示。

圖6 熱能參數(shù)監(jiān)測(cè)仿真界面

在界面的底欄設(shè)置虛擬報(bào)警燈，若光伏電池板最高溫度測(cè)點(diǎn)超過(guò)55℃報(bào)警燈顯示紅色，表示溫度過(guò)高，否則，顯示綠色，表示運(yùn)行良好。

電能參數(shù)監(jiān)測(cè)界面顯示的是光伏電池板的短路電流和開(kāi)路電壓以及電功率的動(dòng)態(tài)數(shù)值。電流、電壓和電功率變化情況能夠?yàn)檫\(yùn)行人員提供調(diào)節(jié)控制操作的依據(jù)。

系統(tǒng)控制界面主要功能是根據(jù)入口水工質(zhì)流量、光伏電池溫度、蛇形管道出口溫度等關(guān)鍵控制參數(shù)來(lái)進(jìn)行水工質(zhì)的手/自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)控制仿真界面如圖7所示。

“入口流量手動(dòng)調(diào)節(jié)”按鈕實(shí)現(xiàn)手動(dòng)改變CPC型光伏/光熱裝置入口水工質(zhì)的流量，也可通過(guò)點(diǎn)擊“入口流量自動(dòng)調(diào)節(jié)”按鈕改變對(duì)現(xiàn)場(chǎng)變頻泵的控制信號(hào)輸入，實(shí)現(xiàn)入口水工質(zhì)流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到良好的光伏生電效果和穩(wěn)定溫度的出口水工質(zhì)。

圖7 系統(tǒng)控制仿真界面

報(bào)表瀏覽界面能夠直觀看到報(bào)表網(wǎng)格中動(dòng)態(tài)變化的參數(shù)數(shù)值，通過(guò)添加基于時(shí)間項(xiàng)的調(diào)度，每隔5 min自動(dòng)保存數(shù)據(jù)至硬盤的Excel報(bào)表。通過(guò)日期控件和點(diǎn)擊“報(bào)表日期查詢”按鈕，能夠手動(dòng)打開(kāi)具體日期的報(bào)表查看數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)擊“報(bào)表手動(dòng)保存”按鈕，能夠?qū)崿F(xiàn)具體時(shí)刻的報(bào)表保存［7］。

在實(shí)時(shí)曲線界面中，點(diǎn)擊標(biāo)簽名，能夠?qū)⑵鋵?duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)變化趨勢(shì)以曲線形式顯示。在實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖中，橫軸表示時(shí)間，縱軸根據(jù)標(biāo)簽點(diǎn)不同，其代表的含義也不同，例如選擇流量標(biāo)簽點(diǎn)，縱軸表示流量，選擇溫度標(biāo)簽點(diǎn)，縱軸表示溫度。

在歷史曲線界面中，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)時(shí)間范圍選擇和添加筆功能，能夠以曲線形式顯示過(guò)去具體時(shí)間段的參數(shù)變化趨勢(shì)，且能夠同時(shí)顯示多個(gè)參數(shù)歷史曲線。

報(bào)警一覽界面除了能夠?qū)崟r(shí)顯示報(bào)警信號(hào)外，還能夠通過(guò)日期控件的設(shè)置和點(diǎn)擊按鈕，以文本格式打開(kāi)具體日期的歷史報(bào)警。

4.3 過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建

過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)由模擬量、數(shù)字量和二級(jí)塊等標(biāo)簽組成，打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)編輯器，創(chuàng)建新標(biāo)簽，標(biāo)簽類型設(shè)置為AI(模擬量輸入)。一級(jí)塊以AI001為例，如圖8所示，描述為入口工質(zhì)溫度，I/O驅(qū)動(dòng)器選擇MBE，地址設(shè)置為Device0:40001。

4.4 系統(tǒng)仿真運(yùn)行

測(cè)控系統(tǒng)的人機(jī)界面以全屏方式運(yùn)行，數(shù)據(jù)輸入可通過(guò)滾動(dòng)條和人機(jī)界面的虛擬數(shù)字鍵輸入。啟動(dòng)iFIX軟件后，采用Modsim仿真器代替現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的報(bào)警燈顯示、報(bào)表生成、曲線顯示與控制功能。當(dāng)不運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)，點(diǎn)擊退出系統(tǒng)按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

圖8 模擬量輸入標(biāo)簽

5 結(jié)論

在太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)尚處于試驗(yàn)和項(xiàng)目起步階段，而CPC型光伏/光熱裝置測(cè)控系統(tǒng)重點(diǎn)落實(shí)在實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光高效率的熱電聯(lián)用技術(shù)，通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，手/自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)入水口水工質(zhì)流量，保證穩(wěn)定高效的光電、光熱效率，有效協(xié)調(diào)光伏發(fā)電和光熱利用效果，同時(shí)也降低了光伏發(fā)電成本，使光伏/光熱綜合利用技術(shù)具有極高的推廣價(jià)值，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)，也帶來(lái)了很好的社會(huì)效益。

［1］王寶群，姚強(qiáng)，宋薔，等．光伏/光熱 (PV/T)系統(tǒng)概況與評(píng)價(jià)［J］．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2009，30(2):193-200．

［2］劉亞雷，張紅，許輝，等．CPC型聚光光伏光熱系統(tǒng)的性能分析 ［J］．可再生能源，2011，29(1):1-5．

［3］劉鵬，關(guān)欣，穆志君，等．PVT系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究 ［J］．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010，31(8):999-1004．

［4］許鐵，金秀章．基于iFIX的空冷島溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］．電力科學(xué)與工程，2013，29(7):74-77．

［5］馬沖．基于iFix計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2011，21(6):185-188．

［6］蔡毅恒，田沛．iFIX工控組態(tài)軟件在大型火電廠外圍設(shè)備控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用 ［J］．測(cè)控技術(shù)，2004，23(2):51-54．

［7］鞏偉，宋勇江．EXCEL在 IFIX軟件的報(bào)表實(shí)現(xiàn) ［J］． 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，30(6):89-90．

Design and Implement of Measuring and Controlling System for CPC-PV/T Equipment

Xie Zekun，Jin Xiuzhang

(School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

For the issue of how to coordinate photoelectric efficiency and thermal efficiency in the photovoltaic solar thermal utilization technology，a kind of measuring and controlling system based on iFIX platform is developed for CPC-PV/T equipment．Friendly HMI screen for real-time monitoring of the main operating parameters of field devices is designed，and the inlet water flow is regulated manually or automatically for dissipating photovoltaic cells'heat and lowering its temperature，and outputting water liquid with stable temperature，so as to improve photoelectric efficiency and thermal efficiency，and achieve the purpose of efficient use of solar thermal and electricity．

iFIX;PV/T;measuring and controlling system

TP29

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.017

2013－11－28。

謝澤坤 (1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樘?yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)領(lǐng)域的控制策略及其性能分析研究，E-mail:919408299@qq．com。