NI CompactRIO alkalmazása a megújulóenergia-termelésben
„A CompactRIO-platform felhasználásával és a LabVIEW segítségével olyan alkalmazást hoztunk létre, amely a kisméretű szélturbinák működési jellemzőit elemzi a nemzetközi előírások és a gyártók elvárásai alapján, a hatásfokkal, kapacitással, szerkezeti egységességgel, biztonságos működéssel és üzemi jellemzőkkel kapcsolatos piaci elvárások teljesítése céljából.” – Acoidan Betancort Montesdeoca ‑ Aresse Engineering S.L.
Kisméretű szélturbinák biztonságának és megfelelő üzemi jellemzőinek mérése és adatgyűjtése NI CompactRIO segítségével
A feladat
Önálló, egységes platformot kellett létrehoznunk kisméretű szélturbinák hatásfokát, működését és szerkezeti egységességét jellemző adatok begyűjtése, illetve elemzése céljából.
A megoldás
NI CompactRIO rendszer segítségével számos elosztott érzékelő jelét a következő négy fő adatcsoportba összegyűjtő rendszer létrehozása: alapfeltételek, működési, terhelési és elektromos jellemzők.Az elszigetelt fogyasztói helyek fokozódó igénye a megfizethető, tiszta energiaforrások iránt, valamint az energiaforrások fenntartható kiaknázására törekvő fogyasztók környezettudatossága következtében egyre több kisméretű szélturbinával találkozhatunk. Ezeket a szélturbinákat a hatásfok, az üzemi jellemzők és a szerkezeti integritás szempontjából figyelemmel kell kísérni és értékelni, alátámasztva, hogy üzemeltetőik és az érintett közösségek számára biztonságosak, és megfelelnek a céljuknak.
A Kliux Energies-szel együttműködve önálló, egységes platformot hoztunk létre, amely a nemzetközi szabványok (IEC 61400/2, IEC 61400/11 és IEC 61400/12) által előírt adatokat gyűjti és elemzi, lehetővé téve a kisméretű szélturbinák működésének tanúsítását, továbbá a gyártók számára is előállítja a turbinák optimalizálásához szükséges adathalmazt.
1. ábra A mérési pontok elhelyezkedése
A hardverháttér
A szabványos előírások és az analitikus tervek visszaellenőrzéséhez szükséges adatok gyűjtéséhez a CompactRIO-platformot választottuk rendszerünk alapjául. A turbinán és kiegészítő elemein elhelyezett számos érzékelő jelének együttes feldolgozásával nyertük ki a Kliux GEO4K típusú, függőleges tengelyű, kisméretű szélturbinát jellemző adatokat, amelyeket négy fő csoportba soroltunk: alapfeltételekkel, működési állapottal és terheléssel kapcsolatos adatok, valamint elektromos jellemzők. Valamennyi mért információt, melyek 34 csatornán érkeznek a mérőrendszerbe, a kisméretű szélturbina (Small Scale Wind Turbina ‑ SSWT) talppontjába telepített szekrényben található CompactRIO-egység gyűjti be, azokat elemzi, tárolja és osztályozza az alapfeltételek alapján. Egy, az internethez 3G-adatkapcsolaton keresztül csatlakozó router segítségével azonnal ellenőrizhető a telepített rendszer állapota, és letölthetők a tárolt adatok.
A rendszer az alábbi négy alrendszerre bontható:
-
Alapfeltételekkel kapcsolatos adatok. A környezeti feltételeket a termelési adatokkal összevetve kiszámítjuk, hogy mekkora energiát tud a turbina felhasználni. Az NI cRIO-9014 beágyazott vezérlő egy GILL WindMaster ultrahangos szélmérőtől kapja a szélsebességre vonatkozó információkat, a hőmérsékleti-, a nyomás- és a páratartalom-adatokat pedig egy RS485-ös vonalon kommunikáló Väisälä-érzékelő szolgáltatja.
-
Működési állapottal kapcsolatos adatok. Elemezzük a váltó nagyfrekvenciás gyorsulásait, a keletkező akusztikus zajokat és a váltó belső hőmérsékletét, ezek alapján végezve prediktív gépállapot-ellenőrzést. Mindezt egyetlen NI 9234 C-sorozatú, analóg-digitális átalakítóegység segítségével hajtjuk végre, amely egy NyÁK-ra szerelt, háromtengelyes gyorsulásmérő és egy G.R.A.S mikrofon jelét fogadja és dolgozza fel. A hőmérsékletet egy NI 9219C-sorozatú modul méri, Pt100-as hőérzékelőt használva.
-
Terhelési adatok. A rotor nyomatékát és fordulatszámát, a torony talppontjára eső terhelést, a rotor gyorsulásait és a torony különböző magasságú pontjain mérhető vízszintes gyorsulást mérjük annak ellenőrzése érdekében, hogy a szélturbina aerodinamikai terhelése összhangban van-e az analitikus tervekkel. Mindez egyetlen NI 9205C-sorozatú modullal elvégezhető, amely a rotor és a torony több pontján elhelyezett érzékelők adatait fogadja. Egy NI 9219-modul három nyúlásmérő jelét kondicionálja, amelyek a tornyot érő tengelyirányú és hajlító terhelést érzékelik.
-
Elektromos jellemzők. A turbina üzemi jellemzőinek meghatározása érdekében egy NI 9205 típusú modullal kiszámítjuk az elektromos energiatermelést, amely mind a generátor, mind az inverter oldalán Phoenix Contact- és CR Magnetics-érzékelők által szolgáltatott, háromfázisú feszültség- és áramértékeket digitalizál.
2. ábra Az adatgyűjtő rendszer vázlata
A szoftveres háttér
A CompactRIO-n adatgyűjtő- és elemző rendszert valósítottunk meg, amelynek beállításához az NI LabVIEW rendszertervező szoftvercsomag segítségével hoztunk létre alkalmazást. Ez a 3G routeren keresztül, távoli eléréssel kommunikál a CompactRIO-val. Ezzel az összeállítással a rendszer valósidejű változóit figyelhetjük meg, valamint különféle kalibrálási együtthatók, mérési tartományok, mértékegységek, szélsebesség-jellemzők, eltolási értékek és további funkciók – többek között internetes böngészés, naplózott adatok biztonsági mentése, rendszerkommunikáció kezelése – állíthatók be a modulokon.
A CompactRIO minden folyamatot működés közben, folyamatos statisztikai elemzéssel vizsgál, és az eredményeket egy TDMS (Technical Data Management Streaming) állományba menti el. Hosszú idejű (hónapokra kiterjedő) naplózást végzünk, ezért a CompactRIO belső flash-memóriájába mentjük az adatokat. Rendszerünkhöz különféle további szoftveres eszközöket is kidolgozunk, amelyek hálózaton keresztül teszik lehetővé az összes statisztikai jellemző megfigyelését, a CompactRIO flash-memóriájának elérését és a tárolt adatok letöltését, a szoftverfrissítést, az adatok grafikus ábrázolását és különféle adatgyűjtési, illetve naplózási paraméterek beállítását.
A CompactRIO-ból távoli eléréssel kinyert adatokat utólagos analízissel is fel kell dolgoznunk, kiértékelve a szélturbina viselkedését és jellemzőit. Első lépésben a szél sebességének, irányának és turbulenciájának figyelembevételével kiszámítjuk a telephely szélviszonyait leíró Weibull-paramétereket, majd a rendszer további finomításához szükséges mechanikai jellemzőket határozzuk meg. Ide tartozik a rotor fordulatszámának és a szélsebességnek, a váltó mechanikai áttételének, továbbá a váltó és a generátor hatásfokának az optimalizálása. Végül pedig az elektromos paramétereket igyekszünk utólagos elemzéssel optimalizálni. Az inverter optimális terhelésének beállítása érdekében analizáljuk a szélsebesség és a generátor által szolgáltatott feszültség közötti kapcsolatot. Mindezek az utófeldolgozásos műveletek kielégítik az alábbi, országoktól független normák követelményeit:
-
IEC-61400/12: Hatásfokelemzés,
-
Teljesítménygörbe,
-
Éves energiatermelés,
-
IEC-61400/11: Zajkibocsátás,
-
Akusztikus teljesítmény,
-
Hangösszetevők azonosítása,
-
IEC-61400/2: Tesztelés,
-
Tervezési adatok visszaellenőrzése: névleges nyomaték és teljesítmény, forgási sebesség, hatásfok,
-
13.3. rész: mechanikai terhelés tesztelése, szél által keltett elhajlási momentumok és nyomaték,
-
13.4. rész: időtállósági vizsgálatok, megbízható működés elemzése és dinamikus üzem (ide tartozik a rögzített gyorsulásértékek, valamint a nyomatékérzékelő segítségével felvett, a 4. ábrán látható Campbell-diagramon ábrázolt, a forgás legjelentősebb harmonikusa által keltett rezgésekkel való korrelációképzés alapján végzett alakváltozás meghatározás is.).
3. ábra A rotor sebességének függvényében mért teljesítmény
4. ábra A nyomaték Campbell-diagramja
Összefoglalás
A CompactRIO-platform felhasználásával és a LabVIEW segítségével olyan alkalmazást hoztunk létre, amely a kisméretű szélturbinák működési jellemzőit elemzi a nemzetközi előírások és a gyártók elvárásai alapján, a hatásfokkal, kapacitással, szerkezeti integritással, biztonságos működéssel és üzemi jellemzőkkel kapcsolatos piaci elvárások teljesítése érdekében. Ez a modulrendszerű, rugalmas összeállítás a kisméretű szélturbinák sokféleségéhez igazodva számos különféle beállításban, adott helyzetnek megfelelő elrendezésben használható.
Szerzők: Acoidan Betancort Montesdeoca, Gorka Gainza González, Mariano Aristu Aguerri – Aresse Engineering S.L.
National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest
Neumann J. u. 1/E 2. em. (Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400, fax: +36 1 203 3490
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hungary.ni.com
Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Még több National Instruments
Címkék: CompactRIO | LabVIEW | szélturbina | megújuló energia
