绘制光伏应用的大面积实时太阳辐照图

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"新加坡持续的炎热和潮湿天气使远程监控组件面临了更多挑战。 借助坚固的NI硬件,SERIS构建了一个极其坚固的系统,能够处理来自整个岛上大量观测站99.8%的研究数据。"

- Mark Kubis, Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS)

The Challenge:
实时绘制新加坡的地面太阳辐射图,以评估和预测光伏应用所需的太阳能。

The Solution:
创建基于CompactRIO硬件的远程气象观测站网络,范围覆盖全国,并通过运行LabVIEW系统设计软件的PC上进行监测。

Author(s):
Mark Kubis - Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS)
Andre Nobre - Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS)

随着太阳能光伏(PV)设备在世界范围的不断普及,这种可再生能源对全球能源格局做出的贡献越来越大。 由于新加坡等热带地区不断变化的云层覆盖和气候条件,将这一可再生能源集成到现有化石燃料发电面临着严峻的挑战。

SERIS开展了一个太阳辐照度评估和预测研究项目,以5 km x 5 km的网格在该岛国上部署了一个综合气象台站网络。 所有远程观测站均运行使用NI LabVIEW软件编程的CompactRIO硬件。 我们通过算法开发来获取关键气象参数,以进行短时间和当天辐照度预测,进而预测光伏发电的模式。 此外,全年太阳能源测量有助于绘制该国家季节性和年度的日照辐射图。

硬件

在前端,部署在现场的25个远程观测站运行于cRIO-9075实时控制器上。 观测站包含一个NI9203 C系列模拟电流输入模块和一个NI9217 C系列RTD模块,这两个模块分别连接到相关的气象传感器,如检测总日辐照度和散射辐照度、环境温度、相对湿度、风速和风向以及空气压力传感器。 在后端的SERIS光伏系统监测实验室中,中央监控站(CMS)的PC运行基于LabVIEW的软件,并通过实时3G网络连接到现场的远程观测站。

系统描述

整个系统配置为可执行以下一系列任务:

  • 远程日志记录 - 每个远程观测站以1 Hz的速率采样所有数据,并且每隔1分钟存储一次
  • 数据采集 - 所有远程观测站均通过3G网络与CMS进行通信,以实时(每分每秒)或“研究数据包”(每天工作结束时提供给研究人员的数据)两种方式传输数据
  • 数据存储 - 数据保存为二进制格式,以便在数据库和统计代理中快速传输和处理
  • 数据发布服务 - 研究人员可以轻松访问可自动或手动设置的历史数据集
  • 报警检查 - CMS通过每分钟收到的“心跳”来监测观测站的健康状态,报告传输状态、存储级别和CPU占用率等系统关键特性
  • 时间同步 - 每次CompactRIO时钟与SERIS高精度时间服务器之间的漂移超过300毫秒时,系统便会应用一个时间修正程序

重点监测的基础设施特性和其他特性

新加坡持续炎热和潮湿的天气给远程监控组件带来了更多挑战。  借助坚固的NI硬件,SERIS构建了一个极其坚固的系统,能够处理来自整个岛上大量观测站99.8%的研究数据。 系统还提供了无缝的定时同步。 所有部署在现场的CompactRIO系统同步至该机构的专用时间服务器。 这保证了时钟之间的漂移不超过300毫秒,这一点对于研究分布在不同位置的观测站的相关性极为重要。 系统的其他主要特性包括:

  • 远程诊断 - 部署在现场的观测站可针对软件更新等任务进行远程调整
  • 报警功能(系统)- 报警可用于监测观测站的健康情况
  • 报警功能(传感器) - 使用LabVIEW编写的额外统计程序可用于检查参数范围,当现场传感器出现故障时可最小化停机时间
  • 自动下载程序 - 每天日落后自动下载研究数据,方便研究人员随时开发新算法
  • 按需提供数据 - 研究人员和工程师可根据需要轻松检索数据
  • 实时系统可视化功能 - 当用户(或“玩家”)连接至已连接互联网的任何电脑时,即可获得每秒钟“实时”数据

实时创建日辐照分布图

远程观测站的数据到达CMS后,研究人员可充分利用定制的数据库来运行计算、绘图和算法。 此外,通过选择实时数据并将数据实时分组成多个子集和使用定制的LabVIEW软件,SERIS可在其光伏系统监测实验室的用户界面上创建实时太阳辐照分布图。 25个观测站的辐照读数可在一秒钟内提取,并可用于彩色插值算法。 日辐照分布图每两秒或三秒更新一次,这取决于网络传输延迟。 使用辐照分布图交互功能,研究人员可以读取给定光标位置处的辐照度值,也可通过输入邮政编码来读取相应位置的辐照度值。

该图还示出了整个新加坡土地的最大和最小总辐照度值和平均辐照度值。

如需公开显示,SERI可将辐照分布图上传到新加坡国家太阳能资料库(NSR, www.solar-repository.sg),国家太阳能资料库是新加坡政府鼓励人们使用太阳能光伏的一个项目。

SERIS系统优势

SERIS在研究专用于热带地区的太阳能电池、模块、系统和高能效建筑上一直处于前沿地位。 本文描述的综合远程气象站网络加快了其光伏并网集成的研究进度。 远程监测网络基于NI软硬件,为SERIS研究人员和工程师提供了出色的数据可用性和可靠性,这一点在不远的将来也将惠及公共事业单位等其他相关方。

通过这一坚固的空间分辨气象站网络,SERIS研究人员能够开发预测算法来提前预测光伏应用所需的太阳能资源。 随着世界各地广泛采用太阳能光伏发电,尤其是热带地区和其他发展中国家未开发的新市场,太阳能光伏等可再生能源系统将为全球电网做出巨大的贡献,而且在这个过程中将利用功能强大且全面的远程数据监测功能来采集更多参数以顺利整合各种可变能源,这一切只是时间早晚的问题。

视频1: 此视频时长为1个小时,动画演示了新加坡2014年6月某一天的日辐照分布情况。该视频由60张播放时间间隔为一分钟的图片组成。

观看NIWeek 2012的主题演讲上André Nobre和Mark Kubis对SERIS日辐照网络的介绍。

 

Author Information:
Mark Kubis
Solar Energy Research Institute of Singapore (SERIS)
National University of Singapore (NUS) 7 Engineering Drive 1 Block E3A, #06-01
117574
Singapore
mark.kubis@nus.edu.sg

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