热风发电实验装置监控系统讲解.docx

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热风发电实验装置监控系统讲解

热风发电实验装置监控系统——数据处理与显示

摘要

随着世界范围内常规能源的逐渐减少，开发新能源成为世界共同的需要，太阳辐射能作为最大的新型能源的利用成为迫切的需要。

本文针对太阳能资源的一种利用方式，即太阳能热风发电技术，介绍了太阳能热风发电实验装置Solar-Tower-10WP的设计方法和参数检测的具体方案。

设计了基于MATLAB软件的实时数据动态绘图软件，并使用MATLAB软件中的GUIDE命令和DatabaseToolbox工具箱实现了用户数据提取图形界面，可方便对历史数据进行查询和分析。

通过MATLAB编程实现了实时数据的动态绘图显示，用户通过数据提取界面能够实现对历史数据的提取。

关键词：

太阳辐射能，太阳能热风发电技术，MATLAB软件，实时动态绘图，用户数据提取图形界面。

Hotairpowergenerationexperimentequipmentmonitoringsystem,dataprocessinganddisplay

Abstract

Withtheworldwideconventionalenergyisgraduallyreduced,developingnewenergytobecometheworldcommonneeds,solarradiationenergyasthelargestnewenergysourcesbecomeurgentneeds.Thispaperaimingatawaytousesolarenergyresources.Itiscalledsolarhotairpowergenerationtechnology.Itintroducesthedesignmethodofthesolarhotairpowerprototypedevice（Solar–Tower-10WP）andtheconcreteplanoftheparameterdetection.Itdesignsthedynamicsoftwareofreal-timedatabasedontheMATLABsoftware,andusestheGUIDEcommandandthedatabasetoolboxkitinMATLABsoftwaretorealisethedataofuserstoextractgraphical，sothatuserscaninquireandanalysistheirinterestinghistorydataconveniently.Thedisplayingofdynamicdrawingofreal-timedataisrealizedthroughMATLABprogrammingdesign,userscanextracthistorydatathroughdataextractiveinterfaces.

Keyword：

solarradiationenergy，solarhotairpowergenerationtechnology，MATLABsoftware，real-timedynamicdrawing，extractgraphicalinterfaces.

第一章绪论

1.1太阳能热风发电技术的背景

在2009年的联合国大会上,胡锦涛总书记向世界做出承诺,我国到2020年单位GDP能耗要下降40%—45%,或者说单位GDP的温室气体排放要下降40%—50%。

非化石能源比重要提高到15%左右。

我国在“十二五”仍然要继续加大节能减排工作力度，对能源消耗的强度，温室气体排放的强度，以及主要污染物总量的排放建立约束性的指标。

国家发展和改革委员会在“十二五”规划当中提出到2015年能源消耗的强度指标比2010年要下降16%，温室气体的排放强度要下降17%。

主要的污染物的排放总量要下降8%—10%。

我国二氧化碳排放增加的主要原因仍是经济的增长和能源结构的不合理（化石能源占一次能源总量90%以上）。

为满足我国经济增长和环境保护的需要，今后我国能源存量部分应当大力进行节能减排，而对我国能源增长部分要大规模的使用太阳能、风能和水能等可再生能源。

而太阳能使最重要的可再生资源，太阳每年放射到地球的能量高达3.9X10^24J也就是1.08X10^18KWh，相当于130万亿吨标准煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

又因为世界范围内的常规能源储量日益减少，开发新能源成为世界共同的需要。

在此形势下，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。

目前太阳能的利用已经有很多，其中包括光伏发电，太阳能房和太阳能热发电等等。

光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能，是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。

这种技术的关键元件是太阳能电池。

太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点[1]。

太阳能暖房是利用太阳辐射能量来代替部分常规能源，使室内达到一定环境温度的一种建筑物。

太阳房分为主动式和被动式两类。

1938年世界上第一幢主动式的太阳房，由美国麻省理工学院于建成。

它是一种能够控制的采暖方式，用集热器、贮热装置、管道、风机、水泵等设备，“主动”收集、储存和输配太阳能。

由于它具有利用太阳热能，节约能源的优点，从它诞生的那天开始就十分引人注意。

被动式太阳房最早是在法国发展起来的。

它主要依靠建筑方位、建筑空间的合理布置和建筑结构及建筑材料的热工性能，使房屋尽可能地吸收和储存热量。

如果所获得的太阳能，达到了建筑物采暖、空调所需能量的一半以上，就达到了被动式太阳房的要求。

太阳能墙，是一种采用简单结构，利用太阳能取暖的墙体。

利用太阳能墙建成的太阳能温室具有良好的节能效应。

太阳能墙的朝阳面涂成黑色，以吸收大量太阳能，墙体的上端和下部设有通风孔，墙前有一双层玻璃窗，墙面和玻璃窗之间留有空隙，由黑色墙面吸收太阳能形成暖流，进入玻璃窗和墙面之间的热空气收集器（太阳能储能器）。

热空气由墙体上端的通风孔进入房内，冷空气则由下部通风孔补充，这样太阳能墙便把热空气送入暖室。

其成本可在两年内全部收回，节煤、节电的效益十分可观[2]。

太阳能热风发电（又称“太阳能烟囱”）技术是实现大规模开发和利用太阳能的一种新的途径，是解决我国能源危机的有效途径之一。

这种方法也是大自然界内的能量转换，利用太阳能加热空气，空气流动产生风，风能产生电能。

用人工的方法利用太阳能产生风能也可发电，这种发电方法正被研究中。

建造太阳能热风发电厂是解决能源需求的最好途径之一。

至于水能的利用可能会受到资源问题、生态问题、远距离输电问题和开发成本的制约。

风能也会受到当地消纳能力和电网送出能力的严重制约。

太阳能热风发电构想是由德国斯图加特大学的乔根施莱奇教授及其合作者进行了长期的实验研究于1978年提出的。

太阳能热风发电厂有3个基本组成部分：

具有透明顶棚（如玻璃）的集热器、太阳能烟囱（气流塔）和发电机组（见图1）。

其基本工作原理为太阳光以辐射形式加热集热器下面的地面，使之温度升高。

环境空气进入集热器后，受地面和阳光加热，密度减小并沿集热器顶进入太阳能烟囱，在太阳能烟囱内由于“烟囱作用”形成上升气流。

当透明顶棚即集热器的面积足够大时，烟囱内的上升气流就可驱动安装在太阳能烟囱内的风力发电机组发电。

同时，环境空气不断地进入集热器，形成持续的气流流动。

棚内土地具有蓄热功能，可以减少电能输出的波动，也可使系统在太阳落下后继续维持运行发电。

发电功率大的太阳能热风发电系统的占地很大，透明顶棚（集热器）面积可以大到直径为几百米甚至一公里。

烟囱的高度也可从几十米到几百米，烟囱的高度可以决定棚内空气在上升中的温度差，进而影响空气的流速和发电机的产生电能的功率。

发电机在气流的推动下风扇不断的旋转并将机械能装换成电能源源不断的向外输出[3]。

图1.1太阳能热风发电技术原理简图

1.2我国的太阳能资源概况

我国太阳能资源非常丰富陇，理论储量达每年17000亿吨标准煤。

太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。

我国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000km以上。

在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。

与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。

因此，我国非常适合建造大型太阳能热风发电厂。

根据我国各地区接受太阳能总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。

一类地区：

为我国太阳能资源最丰富的地区，每年太阳总辐射量6680—8400MJ/㎡（1856—2333KWH/㎡）,相当于日辐射量5.1—6.4KWh/㎡。

这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。

尤以西藏西部最为丰富，最高达2333KWH/㎡（日辐射量6.4KWH/㎡），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。

根据我国各地区接受太阳能总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。

二类地区：

为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总能量为5850—6680MJ/㎡（1625—1856KWH/㎡），相当于日辐射量4.5—5.1KWH/㎡。

这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。

三类地区：

为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为5000—5850MJ/㎡（1389—1625KWH/㎡），相当于日辐射量3.8—4.5KWH/㎡.主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。

四类地区：

是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量4200—5000MJ/㎡（1167—1389KWH/㎡），相当于日辐射量3.2—3.8KWH/㎡。

这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。

五类地区：

主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐射总量3350—4200MJ/㎡（931—1167KWH/㎡），相当于日辐射量只有2.5—3.2KWH/㎡。

与世界上的其他国家比较，我国算是一个太阳能资源比较丰富的国家，有着大面积的太阳辐射比较丰富的地区，但与世界横向比较这些地区大部分属于中档资源，辐射量在1500—2000KWH/㎡之间。

这使我国太阳能发电的成本与世界上太阳能辐射非常丰富的地区要增加很多。

这也就是说在我国如果使用单位功率投资成本较高的太阳能发电技术，例如光伏发电和光热等发电技术，发电成本将由于单位面积上能源密度相对较低而增加。

这就使得在我国如果使用一种能够大面积利用这种能源密度相对较低的太阳能技术才能使我国太阳能发电成本大幅度的降低。

太阳能热风发电技术就是这样一种低成本的发电技术。

1.3太阳能热风发电技术的优点

太阳能热风发电技术具有一系列优点：

（1）太阳能几乎是取之不尽，用之不竭的清洁能源，太阳能热风发电对环境无污染。

只要是有足够阳光的时候太阳能热风发电系统就能够产生电能，并且没有任何污染物质产生，对环境没有任何的影响和副作用。

（2）太阳能热风电厂通过设置蓄热系统，可实现全天候运行。

棚内土地具有蓄热的作用，也可将土地换成沙石来增加蓄热量，或者采用其他的蓄热手段来存储白天的热量。

白天的时候棚内的蓄热设施吸收太阳光中的热量，并将之存储起来；当太阳落下以后，蓄热装置中存储的热量就开始散发出来继续维持系统的正常运行，使得系统能够在24小时内全天候运行。

（3）太阳能热风电厂设备简单，发电机组是唯一的运动部件，维护费用低。

太阳能热风发电系统主要由透明顶棚、烟囱和发电机组成，设备相当的简单。

一旦系统开始运行后，除了其他的辅助器件（如传感器等）只有发电机是运行着的部件，而透明顶棚和烟囱则始终固定不动，这就使系统的维护非常的方便，并且需要的维护费用也会相当的低。

（4）不需冷却水、不产生二氧化碳气体，对缓解全球变暖有积极作用。

太阳能热风发电系统只是通过阳光照射使棚内的空气温度升高，并不涉及其他的过程，所以不需要冷却水，更不会产生二氧化碳等有害气体，能够对缓解全球变暖有着积极的作用。

太阳能热风发电技术的缺点主要在于其发电效率较低，但可通过建造大功率的太阳能热风电厂来弥补。

被透明顶棚吸收的太阳光辐射只是太阳光辐射中相当少的一部分，并且在热风形成后通过烟囱时推动发电机发电的效率更是非常的小，所以说太阳能热风发电系统的发电效率是非常低的。

但是这一缺点我们可以通过建造大的太阳能集热棚和高的烟囱来增加太阳能热风发电的功率来弥补[4]。

1.4本文主要设计的内容

太能能热风发电实验系统是一个涉及很多专业的项目，每个部分都需要不同的人员来参与完成。

太阳能热风发电系统集热棚内部和外界的环境变量（如温度、空气流速、压力、光功率等等）通过数据检测采集系统进行采集。

本文主要是对系统采集的实时数据进行动态绘图设计和将存入数据库中的数据通过MATLAB用户数据提取模块进行调用的设计。

实时动态绘图通过应用MicrosoftVisualStudio2010软件调用打包好的MATLAB软件编程来实现；MATLAB用户数据提取模块是使用MATLAB软件中的DatabaseToolbox工具箱连接数据库，并使用MATLAB软件中的GUIDE命令编写一个良好的用户图形界面，是用户提取数据时轻松自在。

第二章太阳能热风发电系统结构设计

2.1太阳能热风发电实验项目

太阳能热风发电试验项目是山西国际电力光伏发电有限公司与太原科技大学在校企联合进行科技创新的一次大胆尝试。

本项目由山西国际电力光伏发电有限公司出资，双方共同提供研究人员在太原科技大学校园内建设一座峰值功率为10Wp的实验性太阳能热风发电站，即SolarTower10Wp项目。

为了能使该项目能完成对太阳能热风发电理论技术的研究，以及今后对商业划电站的应用技术转化和经济效益的分析，该项目需满足以下设计目标：

建成后能达到10W的峰值功率；气流塔的设计高度可以调节，并预留接口可以改变气流塔的直径；集热棚的棚顶材料要可以更换，集热棚下设置可更换土壤的装置来满足模拟自然界中不同的地质情况；设计足够的蓄热装置来满足系统能够全天候运转；安装一个专用的、合适的、能够保证从机械能到电能转换效率较高的一套发电装置；在合适的地方加装一定数量的各类传感器；设计一套可视化的自动监测控制系统，来保证该项目能够实现过程化管理和数字化控制；本项目是一个室外型的实验项目，并安装在人流较为密集的校园内，所以应当在设计、建设过程中必须考虑到各种安全因素，保证不出现安全事故。

Solar-Tower-10Wp项目的主体设计主要由集热棚，气流塔，发电系统，蓄热系统和系统集成与项目管理五个大部分组成[5]。

集热棚部分：

太阳能热风发电系统中能量的收集和能量的转化都是依靠集热棚来完成的。

集热棚由半透明的顶棚和支撑结构组成，半透明的棚顶材料通常为玻璃、聚碳酸酯或塑料膜，支撑结构采用混凝土或钢构架。

太阳能热风发电系统的工作特性决定了集热棚部件在系统中的重要作用。

集热棚内地面被太阳光加热后，所贮藏的能量是太阳能热风发电系统的主要能量来源，太阳光太阳辐射能投射到集热棚透明顶棚上表面，发生吸收、反射和穿透，穿透的那部分能量是集热棚内所得的太阳辐射量。

该能量到达集热棚地面时被地面反射、散射，并被地层吸收储存，地层吸收太阳辐射能后，集热棚内地面温度升高，与集热棚内空气产生一定的温度差，促使地面与空气之间进行热量交换，热量交换方式主要包括地面接收太阳能的辐射换热以及流动空气与地面之间的对流传热。

空气热交换产生的气流推动涡轮机带动发电机发电，将太阳能转化为电能[6]。

对集热棚进行设计时首先采用3D-CAD\CAE软件对整个集热棚的设计进行建模、优化和分析，并做出工程图，以达到集热棚的集热面积合理、外形美观。

内侧和外侧棚顶与地表之间的高度能够使得Solar-Tower-10Wp项目于同样的光照强度和集热面积下发电量最大化。

其次通过挑选最经济的几种棚顶材料和支撑结构，使集热棚达到流体力学的最优化和保证到集热棚的安全性（按100年一遇的标准，能够承受狂风和地震等自然灾害）。

能够更换棚顶材料以满足今后的研究，并在以后有可能的情况下为集热棚选取一种透水的棚顶材料，在集热棚外围的地表种植植物，来研究太阳能热风发电与农业的关系。

气流塔部分：

气流塔的作用是形成压差，为电站提供热动力。

压差与棚内外的温差和气流塔高度成正比，并与气流塔内的摩擦阻力有关。

温差越大，塔越高，摩擦阻力越小，在塔内形成的压力差值就越大。

设计时应优化气流塔内表面积与容积的比值，以使摩擦阻力减小到最小。

在压差作用下，集热棚内被加热的空气沿气流塔上升，形成人造热风，风速约与棚内外温差△T和气流塔高度H成正比。

温差越大，塔越高，形成热风的速度就越大。

在热风的推动下空气涡轮机开始工作，带动发电机将机械能转化为电能，完成系统的操作目的。

Solar-Tower-10Wp项目中气流塔的设计使用3D-CAD\CAE软件对整个气流塔的设计进行建模、优化和分析，做出工程图。

通过理论和作图计算分析将气流塔的高度与直径进行设计与优化，使得Solar-Tower-10Wp项目达到规定的发电峰值功率10Wp，同时要做到使气流塔内的摩擦阻力降低到最小，以提高利用效率。

气流塔设计的高度可以通过装置调节，以便完成今后对气流塔的实际分析工作。

气流塔与集热棚和空气涡轮机的连接底座，要达到流体力学的最优化和保证到气流塔的安全性（按百年一遇标准，能承受狂风和地震等自然灾害），并预留接口满足可以改变的气流塔直径。

发电系统部分：

发电系统安装于烟囱底部，主要有空气涡轮机和发电机组成。

空气涡轮机由烟囱中的循环气流驱动，带动发电机将风力机械能转化为电能。

与风力发电所采用的速度级涡轮机不同，太阳能热风发电所采用的是压力级涡轮机，这一点与水里发电中的水轮机相似（静压被转换成涡轮机旋转能）。

因为这里的气流是通过压差形成的，与水能发电的水压相似。

发电系统是太阳能热风发电系统中最重要的一部分，也是投入运作后主要的维护对象，这部分的运行好坏直接影响整个系统的运行情况[7]。

Solar-Tower-10Wp项目中的发电系统的设计应使用3D-CAD\CAE软件对空气涡轮机和发电机的设计进行建模、优化和分析，并做出工程图。

对涡轮机的叶片进行选型、设计和优化，确定最佳的叶片倾角，完成空气涡轮机的整体设计工作。

选择合适大小的发电机，使之能够产生峰值10Wp的电能。

目前市场上很难找到合适的空气涡轮机与发电机，所以在有条件的情况下，可以自行制造空气涡轮机和发电机，这样更能够符合太阳能热风发电实验样机项目Solar-Tower-10Wp的设计要求和目的。

蓄热系统部分：

为弥补太阳热辐射不能稳定、持续供应的特点，使之辅助能源最终变为一种使用方便可靠的清洁能源，储能蓄热问题的解决是关键的一环。

对于太阳能热风发电技术，储能的作用是调节负荷，降低设备容量和发电成本，进一步提高太阳能资源利用效率和设备利用率，提高系统的可靠性和经济性。

通常最简单实用的蓄热系统就是自然土壤和沙石，为了能够使得系统能够在全天候运转常常添加附加的蓄热系统。

Solar-Tower-10Wp项目中蓄热系统的设计应使用3D-CAD\CAE软件对蓄热系统进行建模、优化分析，做出工程图。

通过对集热棚下的土壤蓄热问题进行研究，为太阳能热风发电项目选取技术和经济最优化情况下的土层厚度。

优化附加蓄热系统，使之与自然土壤蓄热系统之间的蓄热配比适当。

整个蓄热系统在满足光照条件较好的情况下，能使太阳能热风发电系统全天候运转。

附加蓄热系统设计蓄热调节装置，使得蓄热系统的部分蓄热量可调控，这项研究对今后的大型商业化并网发电项目是十分有意义的。

系统集成与项目管理部分：

Solar-Tower-10WP项目是以太阳能为基础的新能源项目，太阳辐射及其其它的自然条件对项目的发电成本有着至关重要的联系。

系统集成部分需要结合每个部分的设计利用太阳能发电等相关知识对整个项目进行优化设计，使得Solar-Tower-10WP项目能够降低发电成本，提高系统的可靠性和经济性。

通过系统集成与项目管理使整个系统有机的结合到一起，通过建设的统一管理对系统各个部分进行可视化的自动监测控制，以保证太阳能热风发电实验样机项目Solar-Tower-10Wp能够安全、稳定、可靠的全天候运行。

无论是系统内哪里出现了问题管理人员都能够在第一时间发现，并迅速的解决，这就是进行系统集成和项目管理的最主要原因与意义。

Solar-Tower-10Wp项目中系统集成与项目管理为整个Solar-Tower-10Wp项目提供太阳能发电相关的技术支持，应该对所在地的光照条件、气象数据进行收集，模拟并计算出项目所在地有效的光辐射量、地表温度、地表风速等数据。

为整个Solar-Tower-10Wp项目进行投资估算、经济性分析、工程管理等方面的工作，管理和协调整个项目的设计建造工作。

为项目设计统一的系统的视觉标识，保证所有资料的一致性，并对整个项目的外观进行统一设计。

监控整个系统的运行，保证系统的无障碍的全天候运行。

2.2系统结构设计

2.2.1系统总体结构设计

一个系统结构设计的好坏会影响整个系统的在设计要求的完成，影响系统的运行能力。

太阳能热风发电实验项目Solar-Tower-10Wp是一个涉及很多专业的大项目，而作为一个大系统，系统内部及外界所涉及的环境因素管理人员是应该必须清楚的，所以这就需要对系统内的各个环境变量进行数据采集，并且实行实时监控。

为证明系统是否满足最初的功率峰值设计要求，同时还要对系统的发电功率进行检测。

要对这些数据进行采集，各类传感器的使用是必不可少的。

如何将传感器检测的数据进行接收和处理是硬件系统设计的主要工作。

本文设计的部分是对系统运行时集热棚的内部和外部的温度，压力和光功率，空气流速等的数据在被采集后的进行分析和处理，能够使用户清晰明了的观察所测得的实时和历史的外部环境变量数据[8]。

图2.1系统总体结构图

在系统结构设计中，现场放置各类传感器对数据进行采集，将采集的数据通过以太网IO模块ADAM6017经过无线局域网络传输给运行有“热风发电实验装置”管控程序的计算机，通过管控程序对数据进行存储入SQL数据库，并进行实时动态数据绘图，数据库中的数据又能够通过无线局域网被装有MATLAB软件的计算机进行调用，在MATLAB工作空间内进行处理，而利用MATLAB软件提取数据和进行实时动态绘图是本文设计的重点。

2.2.2系统具体结构

1、现场传感器：

在硬件系统结构设计中，为了测量集热棚内和外界的温度，通过对测量温度范围、测量精度和性能价格比的综合考虑在系统设计中选择温度传感器为管道式电流输出温度变送器AFT3020，测量范围可为-20—80℃，精度为±0.2℃，AFT3020系列温度变送器采用的是DS18B20集成式温度传感器作为温度测量部件，配以稳定可靠信号处理电路，将环境中的温度转换成与之相对应的标准信号，具有体积小、重量轻、测量精度高、响应速度快、长期稳定性好等特点；同样的考虑方式在设计中选择风速传感器为WD4110风速传感器，测量范围为0-15m/s或0-30m/s，测量精度为0.20%，WD41系列风速传