使用NI CompactRIO利用革命性的空中风力发电技术为偏远村庄供电

　 The Challenge:

　　为偏远村庄或是其他还没有连通电网的地区提供便携式的可再生能源。没有连通电网的偏远村庄必须依赖柴油或汽油发电机供电，这意味着他们只有在能够得到燃料时才能得到电能。

　　The Solution:

　　开发使用带有绳索的灵活机翼的12 kW便携式空中风力发电系统，用于替代传统风力涡轮中使用的叶片和塔结构。因为系统不使用塔结构，它不需要笨重的加固混凝土结构，因此可以将它固定在拖车上，并且在没有电网的偏远地区提供便携式可再生能源。

　　Windlift建立于2006年用于为冲突后重建、赈灾和第三世界发展开发便携式空中风力能源（AWE）技术。这个技术能够替代柴油发电机作为前方作战单元的主要电能来源，因此可能为军事行动带来潜在的好处。

　　我们公司有四个员工并且得到130万美元个人投资和政府拨款资助。公司已经完成了两个12 kW（额定）原型系统并正在进行测试，并且完成了23 kW悍马牵引系统的概念设计。Windlift目前正得到美国国防部合同的资助，为阿富汗冲突后重建开发AWE技术。与其他例如太阳能等可再生能源解决方案相比，Windlift的AWE技术提供了更高的能源密度。
系统运作

　　AWE技术使用灵活的机翼捕获风中的能量。机翼通过绳索连接到基站上，绳索绕在一个滚筒上。固定在拖车上的系统作为长冲程往复式发动机工作。在循环的发电阶段中，机翼主动转向侧风方向沿着基站的顺风方向以侧风方式飞行，从而将绳索中的张力最大化。随着机翼离开地面站，绳索带动滚筒旋转来驱动发动机/发电机。发电机的电能传送到同样连接到拖车上的电池库中。当达到绳索的最大长度后，机翼失去能量（转向风的切向的方向以便将绳索张力降至最小）并被收回。每个循环中的净能量增长是在向外冲程中产生的能量减去在回复冲程中消耗的能量。

　　我们通过使用交流电机/发电机控制系统，两个伺服电机驱动机翼转向，两个步进电机操作平衡，从而能够整齐地将绳索绕在滚筒上。所有这些设备通过控制器区域网络（CAN）总线接口与NI CompactRIO嵌入式系统进行交互。此外，我们使用两个模拟操纵器和多个数字I/O与系统进行交互。目前，AWE系统是人工操作的，但是在未来的设计中将会自动化。

　　除了用户控制和执行器，CompactRIO还与传感器进行交互，用于监视机翼关于基站的水平和垂直角度、绳索张力、滚筒上剩余的绳索量、输入电池库的能量流和充电状态。所有来自这些传感器的数据被用于控制循环操作，并让它产生的电能和发电稳定性达到最高。

　　使用CompactRIO从原型系统到实际生产

　　我们在这个项目中选择CompactRIO平台出于几个原因。首先，几乎无需学习，CompactRIO和NI LabVIEW开发环境之间的无缝接口提供了交钥匙的软硬件解决方案。其次，CompactRIO模块的广泛可用性意味着所有不同的传感器和协议可以集成在单一模块化系统中（负载电池、温度传感器、现场总线、模拟、数字等等）。第三，整合的现场可编程门阵列（FPGA）以及实时处理器体系结构的强大功能和灵活性提供了在单个组件中无法实现的功能。第四，同时也是最重要的是NI展示了使用相同硬件和软件从原型开发到实际生产的清晰的CompactRIO开发途径。我们还考虑了在这次开发中使用DSPACE硬件，但是预期的硬件成本大大超过CompactRIO系统，同时从原型到实际产品的过渡也不是那么清晰。

　　CompactRIO系统的FPGA背板在我们的开发中特别有用。FPGA以完全并行的方式高速（40 MHz时钟周期）运行任务的能力让我们能够将时间关键的任务从实时处理器上转移下来。特别适合FPGA的一个任务实例是监视作为测量滚筒旋转的增量编码器的邻近传感器（在象限中配置）。运行在FPGA上的一个代码段以高达每秒800脉冲的速度对每个传感器进行计数，并且将滚筒的增量位置向实时控制器进行通信。

　　在这次开发中，我们使用获得NI绿色工程奖的NI开发者套件，其中包括NI DIAdem数据管理和分析软件、LabVIEW实时、LabVIEW FPGA、LabVIEW NI SoftMotion、LabVIEW控制设计与仿真模块以及LabVIEW PID与模糊逻辑工具包等等。这个项目中除了LabVIEW开发环境之外，最为有用的工具是DIAdem数据分析软件。我们使用CompactRIO的共享变量引擎特性，通过TCP/IP连接将数据传输到远程笔记本电脑上进行数据记录。

　　在测试程序中产生的大量数据对于设计和开发流程而言是至关重要的。每个数据文件记录10分钟操作时间，尺寸大约为4 MB，并且包含大约70个独立通道。DIAdem对于处理和分析大量数据而言是十分有用的。另一个被证明十分有用的是使用工作中系统的视频对数据进行同步的功能。

　　我们目前在测试便携式AWE系统原型的最后阶段。CompactRIO嵌入式系统在整个开发流程中是十分有用的，我们期望它会继续成为系统中至关重要的一部分。这个方法中的一个重要方面是从目前手动操作的系统向自动化系统的过渡将会十分简单，只需要进行软件升级。这种可能性是因为手动操作的系统是通过电线控制的，CompactRIO具有足够的功能和性能在自动化系统中取代用户进行操作。