太陽(yáng)能光伏組件風(fēng)載負(fù)荷計(jì)算及支架結(jié)構(gòu)的研究

1、分類號(hào):UDC: 學(xué)校代碼: 10128 學(xué) 號(hào): 20071189碩士學(xué)位論 文 （類 別：全日制碩士研究生 題 目：太陽(yáng)能光伏組件風(fēng)載負(fù)荷計(jì)算及支架結(jié)構(gòu)的研究 英文題目： The study of solar PV wind loading caculation and trestle structure 研究生：張慶祝 學(xué)科專業(yè)：熱能工程 指導(dǎo)教師：劉志璋 教授 二一年五月摘 要本文對(duì)光伏板風(fēng)載的載荷通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了理論計(jì)算，修正了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式,并發(fā)現(xiàn)光伏板風(fēng)載載荷的內(nèi)在規(guī)律,依據(jù)風(fēng)載內(nèi)在規(guī)律改進(jìn)和設(shè)計(jì)光伏板組件的支架結(jié)構(gòu)?；谔摂M儀器設(shè)計(jì)思想，采用NI公司La

2、bVIEW軟件、DAQCard-USB6009多功能數(shù)據(jù)采集卡，以及各被測(cè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的傳感器、變送器，并以計(jì)算機(jī)作為操作、測(cè)試、數(shù)據(jù)處理及儲(chǔ)存平臺(tái)，組成太陽(yáng)能光伏組件風(fēng)載的測(cè)試系統(tǒng)。利用軟件LabVIEW和相應(yīng)的硬件配套設(shè)備開發(fā)研制出太陽(yáng)能光伏組件所受風(fēng)載測(cè)試系統(tǒng)。本次試驗(yàn)主要測(cè)量光伏組件所受載荷的大小，試驗(yàn)在單次試驗(yàn)中需要測(cè)量的物理參數(shù)較少，忽略了電子元件的干擾問題，但考慮到其精度，我們對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，以期達(dá)到相應(yīng)的精度再進(jìn)行試驗(yàn)，以達(dá)到系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，針對(duì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)風(fēng)速下光伏組件載荷測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理，驗(yàn)證了理論計(jì)算，修正了傳統(tǒng)風(fēng)載載荷經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式,找出風(fēng)載規(guī)律,通過

3、線性擬合推出實(shí)際風(fēng)速下的風(fēng)載，根據(jù)風(fēng)載載荷設(shè)計(jì)無(wú)基礎(chǔ)的光伏組件支架結(jié)構(gòu)。再以內(nèi)蒙古能源基地內(nèi)的地面為例，測(cè)出不同粗細(xì)和長(zhǎng)短的地錨釘入地錨不同深度時(shí)拔出所需的拉力。以風(fēng)載載荷和地錨的拉力來(lái)計(jì)算光伏組件的傾翻力矩，計(jì)算出光伏組件支架的穩(wěn)定性，為今后對(duì)太陽(yáng)能光伏組件風(fēng)載載荷計(jì)算和支架設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：LabVIEW； 太陽(yáng)能光伏組件； 測(cè)試系統(tǒng)； 標(biāo)定； 設(shè)計(jì)AbstractThe theoretical calculation was verified and the traditional empirical formula was modified by comparing the

4、experimental measurement and empirical formula, and the internal law of wind load was found, according to the wind load internal laws of the improvement and design of PV component trestle structure.Based on virtual instrument design, using NI LabVIEW software, DAQCard-USB6009 multifunction data acqu

5、isition cards, as well as the measured parameters of the corresponding sensors, transmitters, and the computer as the operation, testing, data processing and storage platforms to form the test system of solar PV components wind load. The testing system of solar PV components wind load was designed b

6、y using NI LabVIEW software and the corresponding hardware equipments. The size of wind load was measured, and measurement of physical parameters is only one, so need to ignore the interference problem of electronic components, but taking into account its accuracy, the system calibration is necessar

7、y, to achieve the appropriate accuracy to conduct trials to test the accuracy of data. Through field testing, the data which the PV component wind loads was tested in the wind tunnel was analysed and processed, verifing the theoretical calculations, amending the traditional experience of the wind lo

8、ad calculation formula, finding out the wind load rules, deducing the actual wind speed of wind load by linear fitting, according to the wind load to design the no basis PV module structure. Then the surface which in the energy base of Inner Mongolia University of technology as a example, measuring

9、the anchor pull required to pull out which in the different of the thickness and length anchors was driven into different depths.To calculate the tipping moment of PV modules by using the wind load and anchor tension, to figure up the stability of PV module structure for providing the scientific bas

10、es for the wind load of solar PV modules calculation and the design structure in the future.Key words：LabVIEW; Solar PV module；Measurement system；Calibration; design目 錄第一章 緒 論 . 11.1太陽(yáng)能光伏組件的分類與發(fā)電原理 . 11.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類和基本構(gòu)成 . 11.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 21.4課題的背景及意義 . 31.5測(cè)試參數(shù)分析 . 51.6測(cè)試系統(tǒng)的基本要求及本文的主要內(nèi)容 . 61.6.1太陽(yáng)能光

11、伏組件支架拉壓力的基本要求 . 61.6.2課題的主要工作 . 6第二章 光伏組件風(fēng)載載荷實(shí)驗(yàn)測(cè)量臺(tái)架 . 72.1測(cè)試系統(tǒng)硬件部分 . 72.2 太陽(yáng)能光伏組件的技術(shù)參數(shù) . 82.3測(cè)試系統(tǒng)的傳感器或變送器 . 92.3.1傳感器 . 92.3.2變送器 . 92.3.3測(cè)試系統(tǒng)對(duì)傳感器與變送器的選擇 . 92.3.4 24V直流電源 . 102.4測(cè)試系統(tǒng)光伏組件支架 . 112.4.1光伏組件風(fēng)載載荷測(cè)試臺(tái)架 . 112.4.2拔出地錨的拉力測(cè)試 . 11. 12 2.5 測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件2.6 測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件 . 142.6.1軟件前面板 . 142.6.2采樣參數(shù)的設(shè)定

12、. 152.6.3測(cè)試軟件程序框圖 . 152.7本章小結(jié) . 16第三章 測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析 . 173.1傳感器的標(biāo)定 . 173.1.1對(duì)于24DV直流電源的標(biāo)定 . 173.1.2對(duì)拉壓力傳感器的標(biāo)定 . 173.2太陽(yáng)能光伏組件拉壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn) . 253.2.1測(cè)試實(shí)驗(yàn)步驟 . 263.2.2數(shù)據(jù)修正方法 . 263.3太陽(yáng)能光伏組件拉壓力測(cè)試數(shù)據(jù)分析 . 273.3.1曲線擬合的最小二乘法 . 293.3.2工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 . 293.3.3曲線擬合值與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)比分析 . 303.3.4風(fēng)載作用中心分析 . 323.4對(duì)光伏組件風(fēng)載載荷規(guī)律的仿真模擬 .

13、363.5地錨拉力測(cè)試 . 393.5.1 實(shí)驗(yàn)步驟 . 393.5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 . 403.6本章小結(jié) . 40第四章 無(wú)基礎(chǔ)光伏組件支架的設(shè)計(jì) . 414.1單光伏板支架的設(shè)計(jì) . 424.1.1采用角鋼型號(hào)為L(zhǎng)30x30x4的支架設(shè)計(jì) . 424.1.2采用角鋼型號(hào)為L(zhǎng)40x40x4的支架設(shè)計(jì) . 444.1.3采用角鋼型號(hào)為L(zhǎng)45x45x5的支架設(shè)計(jì) . 454.2兩塊至多個(gè)光伏板支架的設(shè)計(jì) . 484.3 本章小結(jié) . 48第五章 總 結(jié) . 495.1本課題的主要工作 . 495.1.1測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) . 495.1.2測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) . 495.1.3光伏組件支架的設(shè)計(jì)

14、 . 495.2本課題的特色和創(chuàng)新處 . 495.3本課題今后的研究方向 . 50參 考 文 獻(xiàn) . 51致 謝 . 54攻讀碩士期間發(fā)表的論文 . 55第一章 緒 論1.1太陽(yáng)能光伏組件的分類與發(fā)電原理現(xiàn)在比較成熟的光伏元件是硅元件，分為晶體硅和非晶體硅。目前晶體硅能規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品發(fā)電效率在13%-17%，非晶體硅效率在7%-10%左右。即lm²電池板在1kW太陽(yáng)能量的照射下，分別產(chǎn)生130-17OWp和70-IOOWp的電能(電池板發(fā)電能力以Wp來(lái)表示，讀作“峰瓦”，表示電池板在標(biāo)準(zhǔn)條件下所產(chǎn)生的電力)。由于晶體硅比非晶體硅的發(fā)電效率高，所以目前市場(chǎng)上晶體硅太陽(yáng)電池(包括單晶硅、

15、多晶硅電池)占主導(dǎo)地位1。晶體硅太陽(yáng)電池的發(fā)電原理如圖1-1所示1圖1-1 晶體硅太陽(yáng)電池原理示意圖Fig 1-1 Schematic diagram of crystalline silicon solar cells1.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類和基本構(gòu)成太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為兩類，一類是離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)；另一類是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)是一種常見的太陽(yáng)能應(yīng)用方式,系統(tǒng)簡(jiǎn)單,適應(yīng)性廣,但因其蓄電池的體積偏大和維護(hù)困難,限制了使用范圍,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-2所示2。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)：當(dāng)用電負(fù)荷較大時(shí),太陽(yáng)能電力不足就向市電購(gòu)電。在背靠電網(wǎng)的前提下,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)省掉了蓄電池,

16、從而擴(kuò)展了使用的范圍,提高了靈活性,并降低了造價(jià),其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3所示2。1圖1-2 離網(wǎng)光伏蓄電系統(tǒng)Fig 1-2 Off-grid solar power storage system圖1-3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)Fig 1-3 Photovoltaic power generation system太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、控制器、DC一AC逆變器和用電負(fù)載等組成。其中，太陽(yáng)能電池板、蓄電池、逆變器為電源系統(tǒng)，控制器為控制保護(hù)系統(tǒng)。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有先例安裝無(wú)地基光伏電站，并且運(yùn)行安全穩(wěn)定，如圖（1-4）。從投資的角度來(lái)講，建議國(guó)內(nèi)光伏電站建設(shè)時(shí)嘗

17、試安裝無(wú)地基形式。2圖1-4 美國(guó)無(wú)地基光伏電站安裝圖Figure 1-4 U.S. photovoltaic power plant installation plan without foundation圖1-5 寧夏吳忠太陽(yáng)山10MW無(wú)地基光伏電站施工圖Figure 1-5 Wuzhong Hill 10MW solar photovoltaic power plant construction plans without foundation1.4課題的背景及意義如表1-1所示,列舉了1兆瓦的太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目費(fèi)用明細(xì),從表中發(fā)電設(shè)備、升壓變壓器和通信和控制設(shè)備的費(fèi)用占有很大的比重，這

18、些費(fèi)用的多少取決于科技水平，如硅的純度，逆變器的效率等問題，不是短時(shí)間可以降低的，而支架的費(fèi)用占有總費(fèi)用的9.90%,這部分費(fèi)用可以通過支架的改進(jìn)降低成本，從而使整個(gè)電站建設(shè)的成本降低。3表1-1 一兆瓦太陽(yáng)能光伏發(fā)電項(xiàng)目費(fèi)用比較 Table 1-1 1 MW solar PV project cost comparison編號(hào) 1工程或費(fèi)用名稱建安工程費(fèi)(萬(wàn)元)機(jī)電設(shè)備及安裝工程 202設(shè)備購(gòu)置費(fèi)(萬(wàn)元) 2172 1659 61其他費(fèi)用(萬(wàn)元) 0合計(jì)(萬(wàn)元) 2374 1741 104占投資額(%) 89.57 65.70 3.931.1 發(fā)電設(shè)備及安裝工程 82 1.2 升壓變電設(shè)備及

19、安裝工程費(fèi)1.3 通信和控制設(shè)備及安裝費(fèi)1.4 支架.其他設(shè)備及安裝工程 2 3建筑工程費(fèi) 其他費(fèi)用0 0 202 202 7.65 65 37 43229 266 10.03197 262 9.900 0 2172 2172 82.270 117 0 75 10 29 2 117 50 100 266 10.070 117 0 75 10 29 2 2490 50 100 26400.00 4.40 0.00 2.83 0.38 1.11 0.08 93.96 1.88 3.76 99.603.1 建設(shè)用地費(fèi) 3.2 建設(shè)管理費(fèi) 3.3 生產(chǎn)準(zhǔn)備費(fèi) 3.4 勘測(cè)設(shè)計(jì)費(fèi) 3.5 其他 4 5

20、61至3部分合計(jì) 基本預(yù)備費(fèi)(2%) 價(jià)差預(yù)備費(fèi)(4%) 工程靜態(tài)總投資 各類費(fèi)用占靜態(tài)投資(%) 7 8 9建設(shè)期貸款利息 鋪底流動(dòng)資金 工程動(dòng)態(tài)總投資202217211 27711 0 26500.40 0.00 100.00以往支架如圖1-7所示：4圖1-7西班牙支架結(jié)構(gòu)圖Fig 1-7 Spain bracket chart這是西班牙傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的支架，從圖1-7可知， Long Angular是采用40×40×5的角鋼，Left leg和Right leg是采用90×90×4方形筒管。地基深達(dá)1200mm，而地面中心距高度為1500mm，說(shuō)明相當(dāng)一

21、部分的支架都在地下。雖然在強(qiáng)度上滿足了要求，但在造價(jià)上，工期上浪費(fèi)頗多。這是離網(wǎng)型的，倘若并網(wǎng)型的都采用這種方法，成本上無(wú)形中增加許多，針對(duì)這個(gè)問題，所以提出無(wú)基礎(chǔ)光伏組件支架。1.5測(cè)試參數(shù)分析42圖1-8 風(fēng)洞試驗(yàn)示意圖Fig 1-8 Schematic diagram of wind tunnel tests光伏組件的風(fēng)載是支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光伏組件傾翻力矩計(jì)算的依據(jù)，試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)主要是對(duì)風(fēng)載對(duì)光伏組件的拉壓力。當(dāng)風(fēng)吹過光伏組件時(shí)作用一定的拉壓力，這個(gè)力5用布置在光伏組件四角的拉壓傳感器測(cè)的。如圖，可以測(cè)試出所需角度在各種風(fēng)速下時(shí)所受的作用力4。光伏組件支架的傾翻力矩計(jì)算還應(yīng)有固定組件支架的

22、地錨的作用力矩，地錨的拉力也應(yīng)通過試驗(yàn)測(cè)量。綜上所述，通過分析可以得出實(shí)驗(yàn)需要涉及到的被測(cè)參數(shù)有：光伏組件所受的拉壓力 F（N）、地錨的拉力P（N）1.6測(cè)試系統(tǒng)的基本要求及本文的主要內(nèi)容1.6.1太陽(yáng)能光伏組件支架拉壓力的基本要求1選擇和安裝符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的傳感器或變送器；2系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)能夠同步、實(shí)時(shí)顯示；3測(cè)試程序具有虛擬顯示、分析、處理和存儲(chǔ)功能；1.6.2課題的主要工作1針對(duì)所要解決的問題設(shè)定所要得到的參數(shù)，如光伏組件件所受的拉壓力，依據(jù)拉壓力選擇傳感器；2使用Labview8.6針對(duì)光伏組件的拉壓力測(cè)試進(jìn)行編程；3對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定；4使用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)取數(shù)據(jù)；5對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)

23、行對(duì)比分析，找出其內(nèi)在規(guī)律；6使用得到的光伏組件的拉壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，推出50m/s甚至60m/s時(shí)拉壓力，依據(jù)此時(shí)拉壓力設(shè)計(jì)光伏組件支架，對(duì)光伏組件支架進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算；7. 通過光伏傾翻力矩的計(jì)算確定光伏組件是否傾翻。6第二章 光伏組件風(fēng)載載荷實(shí)驗(yàn)測(cè)量臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的臺(tái)架包括實(shí)驗(yàn)所需儀器及設(shè)備等。圖 2-1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架示意圖Fig 2-1 Schematic diagram of test bench如圖2-1所示，1為內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源實(shí)驗(yàn)基地的風(fēng)洞，2為光伏板，3為傳感器，4為光伏組件支架，5為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2.1測(cè)試系統(tǒng)硬件部分本實(shí)驗(yàn)所用的風(fēng)洞是吹氣式B1/K2開路低速臥式風(fēng)洞。如圖2-

24、2所示，軸流風(fēng)扇系統(tǒng)位于風(fēng)洞上游，故為吹氣式。風(fēng)洞水平布置。風(fēng)洞結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)24.6m，洞體部分長(zhǎng)20.8m，中心線高1.7m。風(fēng)扇下游依次為穩(wěn)定段、收縮段、閉口段和擴(kuò)壓段，擴(kuò)壓段出口形成穩(wěn)定射流，構(gòu)成開口實(shí)驗(yàn)段。在開口實(shí)驗(yàn)段可以進(jìn)行如風(fēng)力機(jī)模型實(shí)驗(yàn)等。在閉口實(shí)驗(yàn)段，可以進(jìn)行二維或三維的模型實(shí)驗(yàn)，如剖面、翼段實(shí)驗(yàn)等。B1/K2開路低速臥式風(fēng)洞的實(shí)物如圖2-3所示。圖2-2 B1/K2風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-2 B1/K2 Schematic diagram of wind tunnel7圖2-3 B1/K2風(fēng)洞實(shí)物圖Fig.2-3 Real object photograph of B1/K2

25、type wind tunnel主要技術(shù)指標(biāo)：1、閉口實(shí)驗(yàn)段直徑1m，風(fēng)速60m/s；2、開口實(shí)驗(yàn)段直徑2m，風(fēng)速15m/s；3、閉口實(shí)驗(yàn)段湍流度 5%；4、驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率55kW。2.2 太陽(yáng)能光伏組件的技術(shù)參數(shù)太陽(yáng)能光伏組件選取京瓷太陽(yáng)能有限公司型號(hào)為KC130GHT-2/KC130GH-2P兩塊，其主要參數(shù)如下：額定最大輸出：130W；額定開路電壓：21.9V；額定短路電流：8.02A；額定最大輸出動(dòng)作電壓：17.6V；額定最大輸出動(dòng)作電流：7.39A；最大系統(tǒng)電壓：100V；外形尺寸：1425×652×36（mm）；額定重量：12.2Kg。82.3測(cè)試系統(tǒng)的傳感器或變

26、送器2.3.1傳感器國(guó)家電工委員會(huì)將傳感器定義為：傳感器是測(cè)量系統(tǒng)的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)。即能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按著一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路組成。常用傳感器根據(jù)工作原理不同，有磁電式、壓電式、熱電式、光電式、霍爾效應(yīng)式、電阻3式、電感式、電容式、電渦流式等多種。2.3.2變送器變送器是從傳感器發(fā)展而來(lái)的，凡能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器就成為變送器。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)采用的輸出為010V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器，這樣有了統(tǒng)一的信號(hào)形式和數(shù)值范圍，就便于把各種變送器和其他儀表組成檢測(cè)

27、系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)。目前絕大多數(shù)傳感器是模擬式的，用計(jì)算機(jī)與其配合而采集數(shù)據(jù)時(shí)，必須經(jīng)過模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器件。2.3.3測(cè)試系統(tǒng)對(duì)傳感器與變送器的選擇拉壓力測(cè)試沒有現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)，選取GB/T 228-2002金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)和GB/T1040塑料 拉伸性能的測(cè)定作為參考。通過對(duì)相近實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的參考,發(fā)現(xiàn)傳感器精度大都要求在0.5級(jí)以上,所以本次試驗(yàn)也采用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。·拉壓傳感器1拉壓力傳感器為北京航宇華科測(cè)控技術(shù)有限公司的HK-812型傳感器4個(gè)，量程依據(jù)先對(duì)風(fēng)洞最大風(fēng)速下15m/s情況下光伏組件所受最大載荷估算進(jìn)行確定，計(jì)算出的量程應(yīng)在所選傳感器量程的1/2到2/3之間。主要技術(shù)指

28、標(biāo)：精 度： 0.1%F.S；線 性： ±0.03%F.S；工作溫度： -20°+60°；工作電壓： 24V；傳輸距離： 變送器：不低于30M；放大器：50M；接線方式： 電壓0-10VDC對(duì)應(yīng)量程50Kg。9·拉壓傳感器2拉壓力傳感器為北京航宇華科測(cè)控技術(shù)有限公司的HK-812型傳感器1個(gè)，所選量程應(yīng)先對(duì)地錨拉力估算，計(jì)算出的量程應(yīng)在所選傳感器量程的1/2到2/3之間。：主要技術(shù)指標(biāo)：精 度： 0.1%F.S；線 性： ±0.03%F.S；工作溫度： -20° +60°；工作電壓： 24V；傳輸距離： 變送器：不低于30M

29、；放大器：50M；接線方式： 電壓0-10VDC對(duì)應(yīng)量程300Kg。·讀數(shù)儀器為北京航宇華科測(cè)控技術(shù)公司生產(chǎn)的XST/A拉壓力稱重顯示儀:主要技術(shù)指標(biāo)：精 度: ±0.2%F.S ;外接電源: 220VAC。2.3.4 24V直流電源依據(jù)以上傳感器均需外供電源為24DV，所以選取中國(guó)航天朝陽(yáng)電源型號(hào)為4NIC-K24一個(gè)。主要技術(shù)指標(biāo)：輸入電壓： 220V；輸出電壓： 24DV；電 流： 最高可達(dá)50A；功 率： 最高可達(dá)10000W；電壓精度： 1%；電壓調(diào)整度：0.5%；電流調(diào)整讀：1%；補(bǔ)償功能： 0.5V；紋 波： Vrms0.1%，Vpp1%；過流保護(hù)： 限流式/

30、關(guān)斷式/折回式。10測(cè)試系統(tǒng)硬件部分是數(shù)據(jù)采集及軟件測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)測(cè)試目的來(lái)選擇測(cè)試參數(shù)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和所測(cè)試參數(shù)來(lái)選擇測(cè)試儀器、變送器和傳感器，進(jìn)而設(shè)計(jì)測(cè)試線路、安裝并調(diào)試相應(yīng)的傳感器。2.4測(cè)試系統(tǒng)光伏組件支架2.4.1光伏組件風(fēng)載載荷測(cè)試臺(tái)架光伏組件風(fēng)載載荷實(shí)驗(yàn)臺(tái)架其作用是支撐光伏組件使光伏組件的中心高度與風(fēng)洞的中心高度相平，而且還要可以調(diào)整光伏組件與來(lái)流的方向與傾角，以便于可測(cè)得光伏組件正向或背向兩個(gè)主要方向的光伏組件各個(gè)傾角下所受的風(fēng)載。圖 2-4 光伏組件拉壓力試驗(yàn)臺(tái)架側(cè)向和背向圖Fig 2-4 The side and back chart of PV module p

31、ull pressure test如圖2-4所示，光伏組件的傾角由沿著半圓型鐵板的半圓形軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而光伏組件的正向和背向則有中部連接部分的法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。法蘭下部底座與地面的地腳螺栓固定。2.4.2拔出地錨的拉力測(cè)試光伏組件的傾翻力矩計(jì)算時(shí)需要知道拔出固定支架的地錨的拉力。 11圖 2-5 拔出地錨拉力測(cè)試 Fig 2-5 Pull anchor pull test如圖2-5所示，該試驗(yàn)需要一個(gè)人字梯，架高2m，還需1噸吊鏈一臺(tái)，鏈長(zhǎng)為3米雙回合拉拽鏈。2.5 測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件首先我們用電流、電壓和拉壓力變送器將所測(cè)試對(duì)象的電流、電壓和拉壓力等電量或非電量信號(hào)轉(zhuǎn)化成與被測(cè)量有確定關(guān)系

32、的電量信號(hào)3；數(shù)據(jù)采集卡將所測(cè)電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)， 在用LabVIEW軟件編輯的測(cè)試程序平臺(tái)下，調(diào)用信號(hào)處理函數(shù)，進(jìn)入框圖程序和虛擬儀器前面板，完成信號(hào)的讀取、分析、處理、存儲(chǔ)及顯示4，形成各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)5。本文開發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)硬件的信號(hào)流圖 2-6 系統(tǒng)硬件的信號(hào)流程圖 Fig 2-6 The flow chart of hardware system國(guó)標(biāo)（GB/T 19068.22003）數(shù)據(jù)采集卡有如下要求： 通道數(shù)： 316（根據(jù)所測(cè)量參數(shù)而定） 采樣時(shí)間： 0.1s, 0.5s, 1s 平均時(shí)間： 自定12本課題所使用的數(shù)據(jù)采集卡是選自NI公司的USB-20

33、09，其參數(shù)如下：表2-1 DAQ USB2009的主要性能指標(biāo)Table 2-1 The main performance indicators of the DAQ USB2009性能指標(biāo)名 產(chǎn)品名稱 模擬輸入通道數(shù) 采樣率 輸入精度 輸入最大電壓范圍 輸入最大電壓精度 輸入最小電壓范圍 輸入最小電壓精度 模擬輸出信號(hào) 數(shù)字信號(hào)I/O通道數(shù) 時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù) 長(zhǎng) 寬 高性能指標(biāo)量 USB20098路單端/4路差分 48KS/s 8位 ±10V 138mV ±1V 37mV 0，5 12位 1 8.52cm 8.18cm 2.31cm圖2-7 USB6009結(jié)構(gòu)圖 Fig 2

34、-7 Chart of USB6009 constructure13為了方便快捷的測(cè)量數(shù)據(jù)，本風(fēng)載載荷測(cè)試系統(tǒng)中采用了美國(guó)NI公司的USB6009進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。NI公司己經(jīng)為它編寫了驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)提供了在LabVIEW環(huán)境下的控件，對(duì)板卡的控制簡(jiǎn)單直觀。USB6009的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示7?？紤]到傳感器信號(hào)經(jīng)多級(jí)轉(zhuǎn)換也會(huì)引入更大誤差，統(tǒng)一選取010V電壓輸出8。2.6 測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件2.6.1軟件前面板根據(jù)DAQ數(shù)據(jù)采集程序各個(gè)功能模塊，結(jié)合本測(cè)試系統(tǒng)所要測(cè)試參數(shù)具體表現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)風(fēng)載載荷測(cè)試系統(tǒng)軟件的程序前面板，其主要是由控制（Contral）、指示(Indicator)和裝飾(De

35、coration)構(gòu)成9-15。拉壓力測(cè)試系統(tǒng)的前面板如下圖2-8:圖2-8拉壓力測(cè)試系統(tǒng)的前面板Fig 2-8 The front panel of pull testing programe142.6.2采樣參數(shù)的設(shè)定圖2-9參數(shù)設(shè)定模塊Fig 2-9 The module of parameters set采樣率（Rate）是數(shù)據(jù)采集卡采樣輸入模擬信號(hào)的速率，采樣率決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換發(fā)生的頻率。進(jìn)行平均點(diǎn)數(shù)(Samples to Read)是有限采樣時(shí)每個(gè)通道的采樣數(shù)量。如果采樣時(shí)間較長(zhǎng)或進(jìn)行特殊試驗(yàn)可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整，通過調(diào)整二者的比例關(guān)系可調(diào)整測(cè)試數(shù)據(jù)記錄的間隔時(shí)間,調(diào)試時(shí)雙擊程序框圖中

36、的數(shù)據(jù)采集助手（DAQ Assistant）節(jié)點(diǎn)，過一會(huì)兒就見到圖2-9界面，從而在此界面中對(duì)數(shù)據(jù)記錄的間隔時(shí)間進(jìn)行調(diào)整15-22。2.6.3測(cè)試軟件程序框圖通過調(diào)試等，程序得到不斷修正和優(yōu)化。最后得到測(cè)試系統(tǒng)程序框圖22-28。 拉壓力測(cè)試系統(tǒng)的程序框圖如圖2-10：15圖2-10拉壓力測(cè)試系統(tǒng)的程序框圖序Fig 2-10 The pull testing system block diagram of the process2.7本章小結(jié)硬件部分設(shè)計(jì)和選取的工作包括以下幾個(gè)方面：1.選擇光伏組件，估算拉壓力對(duì)拉壓力傳感器進(jìn)行合理的選擇及正確的安裝；2.合理地設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的電路連接部分；3.

37、根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要搭建光伏風(fēng)載載荷實(shí)驗(yàn)臺(tái)架和地錨拉力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)架；4.編輯實(shí)驗(yàn)測(cè)試的軟件部分，建立由LabVIEW8.6圖形程序語(yǔ)言來(lái)完成的虛擬儀器。利用LabVIEW8.6語(yǔ)言在信號(hào)采集、處理等方面的強(qiáng)大功能，編寫模塊化程序，建立美觀形象的人機(jī)界面；分析DAQmx與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，避開以往測(cè)試程序編寫時(shí)五大模塊的組合應(yīng)用，而是應(yīng)用數(shù)據(jù)采集助手（DAQ Assistant）來(lái)編輯，這樣做不僅加快了編程速度，而且使程序簡(jiǎn)潔。調(diào)試并完成光伏組件拉壓力試驗(yàn)測(cè)試程序，利用LabVIEW8.6程序?qū)Ω鱾鞲衅餍盘?hào)采集，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的拉壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、顯示及存儲(chǔ)。16第三章 測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)

38、果分析3.1傳感器的標(biāo)定3.1.1對(duì)于24DV直流電源的標(biāo)定由于直流電壓、直流電流和拉壓力傳感器都需要外供24DV電源，但電源是否是24V，在正式試驗(yàn)以前應(yīng)給予標(biāo)定。采用上海長(zhǎng)征無(wú)電線廠的調(diào)壓變壓器，型號(hào)為R6002，輸入220V，輸出0250V。標(biāo)定情況如下圖3-1所示：電壓(V)點(diǎn)數(shù)(個(gè))圖3-1 24DV直流電源標(biāo)定圖Fig 3-1 24DV DC power calibration graph由圖3-1可見在外部交流電壓在190V到250V之間時(shí)輸出直流電壓均為24DV，此電源滿足試驗(yàn)要求。3.1.2對(duì)拉壓力傳感器的標(biāo)定采用精度0.1級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)砝碼100N標(biāo)定拉壓力傳感器1.標(biāo)定其拉力采

39、用如圖3-2所示的辦法，首先先測(cè)出空箱的重量，然后再逐一加100N，記錄下數(shù)值。17傳感器木箱砝碼圖3-2傳感器標(biāo)定示意圖Fig.3-2 Sensor Calibration Diagram型號(hào)為9s00410、9s00409、9s00408和9s00407的傳感器分別測(cè)得數(shù)值如圖3-3、3-4、3-5、3-6：拉力(N)加載(N)圖3-3 拉壓力傳感器9s00410標(biāo)定前所受拉力圖Fig 3-3 The chart of pull pressure sensor 9s00410 when received pulling before calibration18拉力(N)加載(N)圖3-4

40、拉壓力傳感器9s00409標(biāo)定前所受拉力圖Fig 3-4 The chart of pull pressure sensor 9s00409 when received pulling before calibration拉力(N)加載(N)圖3-5 拉壓力傳感器9s00408標(biāo)定前所受拉力圖Fig 3-5 The chart of pull pressure sensor 9s00408 when received pulling before calibration19拉力(N)加載(N)圖3-6 拉壓力傳感器9s00407標(biāo)定前所受拉力圖Fig 3-6 The chart of pull

41、 pressure sensor 9s00407 when received pulling before calibration從圖3-3，3-4，3-5，3-6中可以看出四個(gè)傳感器每加一百牛的法蘭測(cè)出的值不是一拉力(N)加載(N)圖3-7 拉壓力傳感器9s00410標(biāo)定后所受拉力圖Fig 3-7 The chart of pull pressure sensor 9s00410 when received pulling after calibration20拉力(N)加載(N)圖3-8 拉壓力傳感器9s00409標(biāo)定后所受拉力圖Fig 3-8 The chart of pull pres

42、sure sensor 9s00409 when received pulling after calibration拉力(N)加載(N)圖3-9 拉壓力傳感器9s00408標(biāo)定后所受拉力圖Fig 3-9 The chart of pull pressure sensor 9s00408 when received pulling after calibration21百，但是每加一個(gè)法蘭所測(cè)得的數(shù)值都是相等的，所以考慮對(duì)每個(gè)傳感器在Labview程序里輸出時(shí)乘以一個(gè)系數(shù)使其測(cè)得是100N，乘以一個(gè)系數(shù)后結(jié)果如圖3-7，3-8，3-9，3-10：拉力(N)加載(N)圖3-10 拉壓力傳感器9s

43、00407標(biāo)定后所受拉力圖Fig 3-10 The chart of pull pressure sensor 9s00407 when received pulling after calibration從圖3-7，3-8，3-9，3-10中可以看出標(biāo)定后四個(gè)傳感器每個(gè)傳感器在分別加100N的法蘭時(shí)所測(cè)得的數(shù)值的差值均為100N，誤差較小,滿足實(shí)驗(yàn)要求。2.標(biāo)定拉壓力傳感器的壓力時(shí)則采用如圖3-11的方法，因?yàn)閭鞲衅鞯某叽珞w積偏大，可以平放在地面上，而法蘭可以直接放在上面，采用標(biāo)定拉力的辦法，逐一的圖3-11 拉壓力傳感器標(biāo)定壓力示意圖Fig 3-11 The chart of pressu

44、re sensor calibration22型號(hào)為9s00410、9s00409、9s00408和9s00407的傳感器分別測(cè)得數(shù)值如圖3-12，壓力(N)加壓(N)圖3-12 拉壓力傳感器9s00410標(biāo)定后所受壓力圖Fig 3-12 The chart of pull pressure sensor 9s00410 when received pressing after calibration壓力(N)加壓(N)圖3-13 拉壓力傳感器9s00409標(biāo)定后所受壓力圖Fig 3-13 The chart of pull pressure sensor 9s00409 when recei

45、ved pressing after calibration23壓力(N)加壓(N)圖3-14 拉壓力傳感器9s00408標(biāo)定后所受壓力圖Fig 3-14 The chart of pull pressure sensor 9s00408 when received pressing after calibration壓力(N)加壓(N)圖3-15 拉壓力傳感器9s00407標(biāo)定后所受壓力圖Fig 3-15 The chart of pull pressure sensor 9s00407when received pressing after calibration243-13，3-14，3

46、-15，從圖3-12，3-13，3-14，3-15可以看出標(biāo)定后的拉壓力傳感器所測(cè)的壓力也比較準(zhǔn)確，滿足試驗(yàn)要求。3.2太陽(yáng)能光伏組件拉壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)能光伏組件拉壓力測(cè)試的試驗(yàn)是在內(nèi)蒙古自然能源研究所的風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行。光伏組件、傳感器等如圖3-16所示。圖3-16 光伏組件等安裝圖Fig 3-16 PV modules and other installation diagram傳感器的布置圖如圖3-17： 和4082傳感器409和410圖3-17 風(fēng)載測(cè)試時(shí)傳感器布置圖Fig 3-17 The chart of wind load test sensor layout253.2.1測(cè)試實(shí)驗(yàn)步驟

47、1.擺放好計(jì)算機(jī)，把數(shù)據(jù)采集卡與拉壓力傳感器的連線接好；2.把光伏組件和傳感器安裝好，并調(diào)整好傾角；3.按照標(biāo)準(zhǔn)的電氣規(guī)范，對(duì)線路進(jìn)行檢查，確保無(wú)誤；4檢查完畢，開啟計(jì)算機(jī)進(jìn)入測(cè)試軟件程序；測(cè)試時(shí)接通測(cè)試主機(jī)電源開關(guān)，預(yù)熱時(shí)間應(yīng)不小于5分鐘。5. 存盤路徑應(yīng)記錄該時(shí)刻的頻率，以備測(cè)試試驗(yàn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)能知道當(dāng)時(shí)的風(fēng)速。6.在未開始吹風(fēng)時(shí)進(jìn)行調(diào)零處理，因?yàn)閺膱D3-7可知傳感器在無(wú)風(fēng)時(shí)也會(huì)測(cè)出光伏組件自重，光伏組件的傾角不同，讀數(shù)也不會(huì)相同。7. 將風(fēng)洞內(nèi)的鼓風(fēng)機(jī)頻率從10HZ調(diào)到40HZ，每增加4個(gè)頻率值就記錄一組拉壓力數(shù)值。8.調(diào)整光伏組件的角度再重復(fù)5.6.7操作。3.2.2數(shù)據(jù)修正方法1

48、.為了計(jì)算出不同地區(qū)條件的光伏組件所受的拉壓力，要對(duì)實(shí)測(cè)的性能參數(shù)進(jìn)行修正，反映在標(biāo)準(zhǔn)條件（海平面15ºC狀態(tài)下）下的工作狀態(tài),即空氣密度修正到標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下的空氣密度：T=1.225288.15 （3-1）101.325式中 T實(shí)驗(yàn)時(shí)的空氣密度，kg/m3； 大氣熱力學(xué)溫度，K； 大氣壓力，KPa通過下述公式對(duì)每一區(qū)間內(nèi)的拉壓力進(jìn)行修正 1.225 Fs=FT T式中: FS已經(jīng)按標(biāo)準(zhǔn)條件修正過的拉壓力，Kg；FT未經(jīng)修正過的拉壓力，Kg； （3-2）262.若要把不同地區(qū)的拉壓力統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成單位（N），重力加速度g則應(yīng)按1967年國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)（IAG）正式值還沒有公布，其初步修

49、訂式為地球任何海平面重力加速度值為22 +i×g=9.78031810.0053024sin0.0000058sin(2) （3-3）式中：地理緯度3.下列情況下采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)剔除：1） 試驗(yàn)時(shí)空氣密度變化超過0.1kg/m3；2）試驗(yàn)和采樣數(shù)據(jù)累計(jì)不足15分鐘時(shí),則試驗(yàn)無(wú)效，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)也不能用；4.因?yàn)楹艉秃铺氐牡乩砭暥仁?0.75°，所以傾角取41°為例。3.3太陽(yáng)能光伏組件拉壓力測(cè)試數(shù)據(jù)分析當(dāng)測(cè)背向時(shí)把法蘭旋轉(zhuǎn)180°，傳感器407和408還是在上部、409和410還是在下部，四個(gè)傳感器所測(cè)數(shù)值如圖3-18和3-19：-10-20壓力(N)-30-40-50-60風(fēng)速(m/s)圖3-1