使用NI CompactRIO利用革命性的空中風力發電技術為偏遠村莊供電
幾乎無需學習，CompactRIO和NI LabVIEW開發環境之間的無縫接口提供了交鑰匙的軟硬件解決方案
2011-04-25
作者：Matt Bennett
The Challenge:
為偏遠村莊或是其他還沒有連通電網的地區提供便攜式的可再生能源。沒有連通電網的偏遠村莊必須依賴柴油或汽油發電機供電，這意味著他們只有在能夠得到燃料時才能得到電能。
The Solution:
開發使用帶有繩索的靈活機翼的12 kW便攜式空中風力發電系統，用于替代傳統風力渦輪中使用的葉片和塔結構。因為系統不使用塔結構，它不需要笨重的加固混凝土結構，因此可以將它固定在拖車上，并且在沒有電網的偏遠地區提供便攜式可再生能源。
Author(s):
Matt Bennett - Windlift
開發使用帶有繩索的靈活機翼的12 kW便攜式空中風力發電系統，用于替代傳統風力渦輪中使用的葉片和塔結構。因為系統不使用塔結構，它不需要笨重的加固混凝土結構，因此可以將它固定在拖車上，并且在沒有電網的偏遠地區提供便攜式可再生能源。
Author(s):
Matt Bennett - Windlift
圖1：在首次飛行測試中的Windlif AWE系統
Windlift建立于2006年用于為沖突后重建、賑災和第三世界發展開發便攜式空中風力能源（AWE）技術。這個技術能夠替代柴油發電機作為前方作戰單元的主要電能來源，因此可能為軍事行動帶來潛在的好處。
我們公司有四個員工并且得到130萬美元個人投資和政府撥款資助。公司已經完成了兩個12 kW（額定）原型系統并正在進行測試，并且完成了23 kW悍馬牽引系統的概念設計。Windlift目前正得到美國國防部合同的資助，為阿富汗沖突后重建開發AWE技術。與其他例如太陽能等可再生能源解決方案相比，Windlift的AWE技術提供了更高的能源密度。
系統運作
AWE技術使用靈活的機翼捕獲風中的能量。機翼通過繩索連接到基站上，繩索繞在一個滾筒上。固定在拖車上的系統作為長沖程往復式發動機工作。在循環的發電階段中，機翼主動轉向側風方向沿著基站的順風方向以側風方式飛行，從而將繩索中的張力最大化。隨著機翼離開地面站，繩索帶動滾筒旋轉來驅動發動機/發電機。發電機的電能傳送到同樣連接到拖車上的電池庫中。當達到繩索的最大長度后，機翼失去能量（轉向風的切向的方向以便將繩索張力降至最小）并被收回。每個循環中的凈能量增長是在向外沖程中產生的能量減去在回復沖程中消耗的能量。
我們通過使用交流電機/發電機控制系統，兩個伺服電機驅動機翼轉向，兩個步進電機操作平衡，從而能夠整齊地將繩索繞在滾筒上。所有這些設備通過控制器區域網絡（CAN）總線接口與NI CompactRIO嵌入式系統進行交互。此外，我們使用兩個模擬操縱器和多個數字I/O與系統進行交互。目前，AWE系統是人工操作的，但是在未來的設計中將會自動化。
除了用戶控制和執行器，CompactRIO還與傳感器進行交互，用于監視機翼關于基站的水平和垂直角度、繩索張力、滾筒上剩余的繩索量、輸入電池庫的能量流和充電狀態。所有來自這些傳感器的數據被用于控制循環操作，并讓它產生的電能和發電穩定性達到最高。
使用CompactRIO從原型系統到實際生產
我們在這個項目中選擇CompactRIO平臺出于幾個原因。首先，幾乎無需學習，CompactRIO和NI LabVIEW開發環境之間的無縫接口提供了交鑰匙的軟硬件解決方案。其次，CompactRIO模塊的廣泛可用性意味著所有不同的傳感器和協議可以集成在單一模塊化系統中（負載電池、溫度傳感器、現場總線、模擬、數字等等）。第三，整合的現場可編程門陣列（FPGA）以及實時處理器體系結構的強大功能和靈活性提供了在單個組件中無法實現的功能。第四，同時也是最重要的是NI展示了使用相同硬件和軟件從原型開發到實際生產的清晰的CompactRIO開發途徑。我們還考慮了在這次開發中使用dSPACE硬件，但是預期的硬件成本大大超過CompactRIO系統，同時從原型到實際產品的過渡也不是那么清晰。
CompactRIO系統的FPGA背板在我們的開發中特別有用。FPGA以完全并行的方式高速（40 MHz時鐘周期）運行任務的能力讓我們能夠將時間關鍵的任務從實時處理器上轉移下來。特別適合FPGA的一個任務實例是監視作為測量滾筒旋轉的增量編碼器的鄰近傳感器（在象限中配置）。運行在FPGA上的一個代碼段以高達每秒800脈沖的速度對每個傳感器進行計數，并且將滾筒的增量位置向實時控制器進行通信。
在這次開發中，我們使用獲得NI綠色工程獎的NI開發者套件，其中包括NI DIAdem數據管理和分析軟件、LabVIEW實時、LabVIEW FPGA、LabVIEW NI SoftMotion、LabVIEW控制設計與仿真模塊以及LabVIEW PID與模糊邏輯工具包等等。這個項目中除了LabVIEW開發環境之外，最為有用的工具是DIAdem數據分析軟件。我們使用CompactRIO的共享變量引擎特性，通過TCP/IP連接將數據傳輸到遠程筆記本電腦上進行數據記錄。
在測試程序中產生的大量數據對于設計和開發流程而言是至關重要的。每個數據文件記錄10分鐘操作時間，尺寸大約為4 MB，并且包含大約70個獨立通道。DIAdem對于處理和分析大量數據而言是十分有用的。另一個被證明十分有用的是使用工作中系統的視頻對數據進行同步的功能。
我們目前在測試便攜式AWE系統原型的最后階段。CompactRIO嵌入式系統在整個開發流程中是十分有用的，我們期望它會繼續成為系統中至關重要的一部分。這個方法中的一個重要方面是從目前手動操作的系統向自動化系統的過渡將會十分簡單，只需要進行軟件升級。這種可能性是因為手動操作的系統是通過電線控制的，CompactRIO具有足夠的功能和性能在自動化系統中取代用戶進行操作。
我們公司有四個員工并且得到130萬美元個人投資和政府撥款資助。公司已經完成了兩個12 kW（額定）原型系統并正在進行測試，并且完成了23 kW悍馬牽引系統的概念設計。Windlift目前正得到美國國防部合同的資助，為阿富汗沖突后重建開發AWE技術。與其他例如太陽能等可再生能源解決方案相比，Windlift的AWE技術提供了更高的能源密度。
系統運作
AWE技術使用靈活的機翼捕獲風中的能量。機翼通過繩索連接到基站上，繩索繞在一個滾筒上。固定在拖車上的系統作為長沖程往復式發動機工作。在循環的發電階段中，機翼主動轉向側風方向沿著基站的順風方向以側風方式飛行，從而將繩索中的張力最大化。隨著機翼離開地面站，繩索帶動滾筒旋轉來驅動發動機/發電機。發電機的電能傳送到同樣連接到拖車上的電池庫中。當達到繩索的最大長度后，機翼失去能量（轉向風的切向的方向以便將繩索張力降至最小）并被收回。每個循環中的凈能量增長是在向外沖程中產生的能量減去在回復沖程中消耗的能量。
我們通過使用交流電機/發電機控制系統，兩個伺服電機驅動機翼轉向，兩個步進電機操作平衡，從而能夠整齊地將繩索繞在滾筒上。所有這些設備通過控制器區域網絡（CAN）總線接口與NI CompactRIO嵌入式系統進行交互。此外，我們使用兩個模擬操縱器和多個數字I/O與系統進行交互。目前，AWE系統是人工操作的，但是在未來的設計中將會自動化。
除了用戶控制和執行器，CompactRIO還與傳感器進行交互，用于監視機翼關于基站的水平和垂直角度、繩索張力、滾筒上剩余的繩索量、輸入電池庫的能量流和充電狀態。所有來自這些傳感器的數據被用于控制循環操作，并讓它產生的電能和發電穩定性達到最高。
使用CompactRIO從原型系統到實際生產
我們在這個項目中選擇CompactRIO平臺出于幾個原因。首先，幾乎無需學習，CompactRIO和NI LabVIEW開發環境之間的無縫接口提供了交鑰匙的軟硬件解決方案。其次，CompactRIO模塊的廣泛可用性意味著所有不同的傳感器和協議可以集成在單一模塊化系統中（負載電池、溫度傳感器、現場總線、模擬、數字等等）。第三，整合的現場可編程門陣列（FPGA）以及實時處理器體系結構的強大功能和靈活性提供了在單個組件中無法實現的功能。第四，同時也是最重要的是NI展示了使用相同硬件和軟件從原型開發到實際生產的清晰的CompactRIO開發途徑。我們還考慮了在這次開發中使用dSPACE硬件，但是預期的硬件成本大大超過CompactRIO系統，同時從原型到實際產品的過渡也不是那么清晰。
CompactRIO系統的FPGA背板在我們的開發中特別有用。FPGA以完全并行的方式高速（40 MHz時鐘周期）運行任務的能力讓我們能夠將時間關鍵的任務從實時處理器上轉移下來。特別適合FPGA的一個任務實例是監視作為測量滾筒旋轉的增量編碼器的鄰近傳感器（在象限中配置）。運行在FPGA上的一個代碼段以高達每秒800脈沖的速度對每個傳感器進行計數，并且將滾筒的增量位置向實時控制器進行通信。
在這次開發中，我們使用獲得NI綠色工程獎的NI開發者套件，其中包括NI DIAdem數據管理和分析軟件、LabVIEW實時、LabVIEW FPGA、LabVIEW NI SoftMotion、LabVIEW控制設計與仿真模塊以及LabVIEW PID與模糊邏輯工具包等等。這個項目中除了LabVIEW開發環境之外，最為有用的工具是DIAdem數據分析軟件。我們使用CompactRIO的共享變量引擎特性，通過TCP/IP連接將數據傳輸到遠程筆記本電腦上進行數據記錄。
在測試程序中產生的大量數據對于設計和開發流程而言是至關重要的。每個數據文件記錄10分鐘操作時間，尺寸大約為4 MB，并且包含大約70個獨立通道。DIAdem對于處理和分析大量數據而言是十分有用的。另一個被證明十分有用的是使用工作中系統的視頻對數據進行同步的功能。
我們目前在測試便攜式AWE系統原型的最后階段。CompactRIO嵌入式系統在整個開發流程中是十分有用的，我們期望它會繼續成為系統中至關重要的一部分。這個方法中的一個重要方面是從目前手動操作的系統向自動化系統的過渡將會十分簡單，只需要進行軟件升級。這種可能性是因為手動操作的系統是通過電線控制的，CompactRIO具有足夠的功能和性能在自動化系統中取代用戶進行操作。
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