一种柔性光伏支架预应力智能控制装置

1.本发明涉及结构安全领域，特别是一种柔性光伏支架预应力智能控制装置。


背景技术：

2.随着新能源发展战略的逐步实现，光伏发电已经是我国能源发展战略和调整电力结构的重要措施之一。但由于光伏发电工程现存在光伏传统用地的逐渐减少和传统刚性光伏支架的约束条件较多等问题，柔性光伏支架应运而生。柔性光伏支架对于场地要求低，具有广泛的应用性和灵活性，能够有效的缩短工期，降低光伏发电成本等优点，得到了较大程度的推广和行业的普遍重视。
3.柔性光伏支架普遍采用拉索结构，为了保证光伏结构的稳定性，会对拉索施加预应力。一旦柔性支架的预应力损失达到比较严重的程度，会使得结构有失稳风险，常常造成光伏板隐裂，影响光伏发电效率等诸多问题。柔性支架拉索预应力损失复杂原因多样，一般包括摩擦损失、锚固损失、温差损失、拉索的松弛和徐变及分批张拉引起的预应力损失。目前并没有很好的解决拉索预应力损失的方法，只能够做到尽量避免延缓预应力的损失，且不能根据光伏工况对于索拉力后续进行调节。
4.本发明针对这种情况，采用另一种思想方案解决光伏支架拉索预应力损失问题，通过设置柔性光伏支架拉索预应力智能控制装置，对于光伏支架拉索的索力进行监测，一旦索力长期处于设定范围外，装置自动收紧拉索，在拉索上施加索力直到拉索恢复安全状态。并且后续工作人员可通过无线装置对柔性光伏支架拉索预应力损失智能控制设备进行数据采集分析，构建当地环境下的柔性光伏支架振动模型，并根据实际工况对于索力预设范围进行修正，延长柔性光伏支架使用寿命周期，提高光伏发电收益。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有技术难以解决光伏柔性拉索预应力损失缺陷问题，而提出的一种柔性光伏支架预应力智能控制装置，有助于控制光伏柔性支架拉索的预应力损失，并可根据监测数据，后续不断调节预应力范围保证柔性光伏支架结构的稳定健康。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
7.一种柔性光伏支架预应力智能控制装置，包括外壳、卷索装置、索力监测装置和驱动装置；卷索装置包括转轴、拉索、棘轮齿轮、棘爪和双向棘爪；外壳两侧均开设有通孔，且外壳上开设有槽口，转轴两端穿过通孔，可旋转的连接于外壳上；拉索一端缠绕于转轴上，另一端通过槽口伸出外壳；棘轮齿轮固定连接于转轴两端，棘爪和双向棘爪对称设置于外壳的两侧内壁上，棘爪和双向棘爪卡接于棘轮齿轮的齿槽上，防止棘轮齿轮逆向旋转；索力监测装置设置于外壳内侧壁上，索力监测装置的一端与双向棘爪接触；驱动装置与转轴连接，控制转轴的转动。
8.作为本发明的进一步优选，还包括数据传输装置，数据传输装置为主控板，主控板包括数据存储单元、控制mcu、lora无线接口、无线传输天线、连接板和可充电池；数据存储
单元、控制mcu、lora无线接口、无线传输天线和可充电池均设置于连接板上，数据存储单元、lora无线接口、无线传输天线分别与可充电池和控制mcu连接；且索力监测装置和驱动装置均与控制mcu连接。
9.作为本发明的进一步优选，还包括能量装置，能量装置采用光伏发电或电池直接为一种柔性光伏支架预应力智能控制装置供电。
10.作为本发明的进一步优选，还包括顺线装置，顺线装置包括两个顺线轮和两个顺线转轴；顺线转轴平行设置于外壳内，一个顺线轮套设于一个顺线转轴上，拉索穿过两个顺线轮之间。
11.作为本发明的进一步优选，外壳顶部设有光伏支撑板，光伏支撑板上设有多个第一接口。
12.作为本发明的进一步优选，外壳内部横向设有隔板，隔板上开设有与光伏支撑板对应的第二接口；隔板上设有凸块，主控板上设有对应的凹槽，主控板通过凹槽卡合于隔板的凸块上。
13.作为本发明的进一步优选，所述驱动装置包括主动齿轮、从动齿轮和步进电机；主动齿轮、从动齿轮和步进电机均设置于外壳的外侧壁上，主动齿轮和从动齿轮啮合，从动齿轮和转轴固定连接；步进电机带动主动齿轮转动，主动齿轮带动从动齿轮转动，从动齿轮带动转轴转动。
14.作为本发明的进一步优选，所述索力监测装置为压力传感器。
15.作为本发明的进一步优选，所述外壳底部还设有底板，底板上开设有多个螺栓孔，底板通过螺栓穿过螺栓孔固接于地面。
16.作为本发明的进一步优选，还包括保护壳，保护壳套设于外壳外部，保护壳上设有与外壳对应的第一接口和槽口。
17.本发明具有如下有益效果：
18.(1)本发明提出一种柔性光伏支架预应力智能控制装置在现有的柔性光伏支架结构的拉索端部安装设置，采用拉力转变为压力进行监测方法，有效避免因拉索预应力过大导致结构破坏。通过压力传感器监测数据计算出拉索索力，调控步进电机逐渐收紧拉索，实现针对拉索预应力损失的智能控制，且使用棘轮装置，在无需调整索力情况下，装置静默，避免因索力导致装置逆转，能够有效节约能源，整体结构简单，易于推广使用，且调节效果良好。
19.(2)本装置使用的索力调控方法考虑到光伏柔性支架工况的复杂多样性，对实际工作索力与预先设置安全索力范围进行实时监控，并通过对数据进行降噪处理，计算求得压力平稳值，保证拉索的预应力数据可靠性高，装置的智能化程度高。且研究人员可通过数据采集分析，研究拉索的实际工作情况，为后续当地光伏柔性支架的改进和发展提供了强有力的数据支撑。
20.(3)本发明提出的一种柔性光伏支架预应力智能控制装置所用能源皆为电能，通过光伏板和储能电池自身提供稳定供电，无需其它能源的输入，实现了真正意义上的能耗一体化，易于推广使用。
附图说明
21.图1是本发明的整体架构图；
22.图2是本发明的外部结构示意图；
23.图3是本发明的内部整体结构示意图；
24.图4是本发明的保护壳结构示意图；
25.图5是本发明的外壳结构示意图；
26.图6是本发明的外壳内部结构示意图；
27.图7是本发明的底座结构示意图；
28.图8是本发明的主控板结构示意图；
29.图9是本发明的卷索结构示意图；
30.图10是本发明的驱动装置结构示意图。
31.其中有：1.保护壳；2.外壳；3.主控板；4.卷索装置；5.驱动装置；11.第一接口；12.光伏支撑板；13.凸块；14.螺栓孔；15.槽口；21.装置内部固定轴；22.通孔；23.固定轴；24.第二接口；25.中部壳体外侧固定轴；27.螺栓；28.底板；31.lora无线接口；32.控制mcu；33.数据存储单元；34.无线传输天线；35.连接板；36.可充电池；41.顺线轮；42.顺线转轴；43.棘轮固定杆；44.压力传感器；45.双向棘爪；46.棘轮齿轮；47.棘轮转动杆；48.棘爪；49.转轴；410.拉索；51.步进电机；52.从动齿轮。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
34.结合图1～10，本发明的一种柔性光伏支架预应力智能控制装置，包括外壳2，保护壳1套设于外壳2外部，保护壳1是由塑料材质制作而成，外壳2上侧为光伏支撑板12和接口，光伏支撑板12用于承放光伏板，接收太阳能，为柔性光伏支架拉索预应力智能控制装置提供能源，实现装置的能耗一体化生态。光伏支撑板12中有三个第一接口11用于光伏板与主控板3相连接，可起到传输电能和固定光伏板的作用。保护壳1起到保护内部装置的作用，槽口15便于光伏柔性拉索410穿出，螺栓孔14用于穿过螺栓27固接于地面，保证整体结构稳定性。
35.该柔性光伏支架拉索预应力智能控制装置，外壳2整体由高强度钢材料制作完成，上部为容纳腔，用于放置主控板3。设置的凸块13与主控板3上的凹槽适配，便于主控板3能够直接嵌入对应的凹槽中固定。第二接口24用于传输电能和传输数据。中部壳座外侧固定轴25为主动齿轮转轴49，外壳2用于保护内部棘轮装置和卷索结构，通孔22与转轴49适配，转轴49两侧穿过孔，作为转轴49转动的支撑座，下部为底座，底座由18个螺栓27和底板28构成，形成牢靠固接，便于装置承受极大的拉力。装置内部固定轴21为双向棘爪45转轴49。
36.主控板3整体由铝合金材质制作完成，下部为可充电池36，用于存储电力，在光伏
发电效率低的情况给装置运行持续供电，中间为连接板35，连接板35存在凹槽与容纳腔的凸块13相适配，便于主控板3固定在装置上。上部分由lora无线接口31、控制mcu32、数据存储单元33、无线传输天线34构成。索力监测结构中的压力传感器44测量压力，将压力监测数据传输给控制mcu32，控制mcu32将数据进行滤波处理，计算出压力平稳数据，将数据传输至数据存储单元33，当降噪数据长期处于设置安全范围值之下时，控制mcu32传输指令，调控步进电机51间歇转动，例如每分钟转动一次，每次转动一棘轮轮齿距离，卷索结构逐渐收紧光伏预应力柔性拉索410，直到控制mcu32监测压力数据恢复至预设安全范围内，步进电机51停止转动。控制mcu32可控制lora无线通信接口将存储数据通过无线传输天线34传输到外部接收装置，从而获取压力数据。研究人员也可通过对监测数据进行处理，分析柔性拉索410的健康状态，根据实际情况，改变压力预设安全范围。
37.由于光伏柔性支架拉索410预应力巨大，传统卷索容易失效，因此本装置采用棘轮结构，且棘轮装置整体由高强度钢材质制作完成，防止卷索结构失效，造成结构破坏。棘轮装置包括棘爪48、双向棘爪45、棘轮齿轮46、棘爪固定杆、棘爪转动杆和转轴49。棘轮固定杆43通过外壳2中的固定轴23固接于壳座内侧，棘爪48通过棘轮转动杆47约束在棘轮固定杆43平面上旋转，棘轮齿轮46和棘轮固定杆43中心通过转轴49贯通，且棘轮齿轮46固接于转轴49。当步进电机51转动时，转轴49和棘轮齿轮46可正常顺时针转动，当步进电机51停止时，在柔性拉索410的拉力作用下，转轴49本应发生的逆时针转动被棘爪48阻止，实现了转轴49单方向转动，逐步收紧拉索410的作用。顺线装置由拉索410，顺线轮41，顺线转轴42组成，顺线轮41和顺线转轴42由高强度钢材质制作完成，顺线转轴42固接于外壳2上，顺线轮41串接于顺线转轴42上，拉索410从上下顺线轮41之间穿过，避免拉索410因倾斜与外壳2和保护壳1上的槽口15相摩擦造成拉索410磨损。
38.索力监测结构由双向棘爪45，控制mcu32和压力传感器44组成，其中双向棘爪45由高强度钢材质制作完成，压力传感器44固接于外壳2上。当拉索410的拉力逐渐减弱时，棘轮齿轮46对双向棘爪45作用力逐渐减弱，双向棘爪45对压力传感器44的作用力逐渐减弱，最终压力传感器44监测的压力逐渐下降，压力传感器44监测数据传输至控制mcu32，由控制mcu32根据压力数据判断拉索索力是否处于安全设置范围内，达到索力监测功能。
39.驱动装置5结构由主动齿轮、从动齿轮52和步进电机51组成，当控制mcu32监测到拉索索力数值长期低于预设的安全设置范围内时，启动步进电机51。步进电机51间歇转动，例如每分钟转动一次，每次转动一个棘轮轮齿距离，卷索结构逐渐收紧光伏预应力柔性拉索410，直到控制mcu32监测压力数据恢复至预设安全范围内，步进电机51停止转动，完成柔性光伏支架拉索预应力损失控制功能。
40.上述一种柔性光伏支架预应力智能控制装置按功能划分为五大模块：能量装置、卷索装置4、索力监测装置、驱动装置5和数据传输装置。
41.能量装置采用光伏发电或电池直接供电维持稳定电压供电。外壳2上接光伏发电板，进行光伏发电，电流通过调压装置，给装置进行供电，并给可充电池36进行充电，在天气较差，光伏发电效率较低的情况下，可充电池36可辅助供电维持装置长期运行。
42.卷索装置4由一根转轴49，一根拉索410、两个棘轮装置，两个顺线转轴42和顺线轮41装置构成。光伏拉索410的一端嵌入转轴49内部并与之固定，绕制在转轴49上，另一端穿出外壳2作为光伏柔性支架，转轴49两侧与棘轮装置相固接，防止转轴49逆转，顺线转轴42
固定在外壳2中，对于拉索410进行顺理，防止拉索410与外壳2进行摩擦，四者紧密结构成卷索模块，用以执行光伏拉索410的收束工作。
43.索力监测装置包括棘轮、双向棘爪45、压力传感器44和控制mcu32构成。棘轮固接于转轴49上，当拉索410拉紧时，棘轮齿轮46有逆时针转动的趋势，与双向棘爪45相互作用，双向棘爪45有顺时针转动的趋势，且与压力传感器44相互作用。当光伏拉索410处于预应力损失状态时，棘轮齿轮46对双向棘爪45的力逐渐递减，双向棘爪45对压力传感器44的压力也随之递减，压力传感器44将监测到的压力数据传输给控制mcu32，控制mcu32将数据进行降噪处理，计算出压力平稳数据，当压力长期低于预设范围时，控制mcu32判断，光伏拉索410是否处于预应力损失状态，实现索力监测功能。所述索力检测模块计算公式如下关系：
44.t＝(4f
n2
l0r/l2 4f
n1
l0r/l1)/r
ꢀꢀꢀ
(1)
45.式中，f
n1
表示左侧压力传感器44测量数据，f
n2
表示右侧压力传感器44测量数据，r表示索力至转轴49中心线距离，r表示棘轮受双向棘爪45作用力至转轴49中心线力臂，l1表示左侧棘轮对双向棘爪45作用力至棘轮中心力臂，l2表示右侧棘轮对双向棘爪45作用力至棘轮中心力臂，l0表示压力传感器44对双向棘爪45作用力至棘轮中心力臂。
46.所述的数据降噪处理方法，包括如下步骤：
47.步骤一：选取合适的小波函数和分解层数n，对采集的压力数据进行n层小波包分解，根据实验发现，采用db5小波和分解层数为3的小波包分解层数，在实际工程应用中，去噪效果最好；对于小波包分解，令位置(j,p)处的小波包系数为则在第j 1层相应的小波包分解系数如下：
[0048][0049][0050]
上式中的h(k)表示低通滤波器，g(k)表示高通过滤波器。
[0051]
步骤二：采用合适的阈值函数对每一个小波包系数进行阈值量化。根据工程效果，软阈值函数效果最好，同时选择sure作为阈值选择准则，阈值t设为其中n为信号长度；
[0052]
步骤三：根据小波包分解系数和经过量化处理系数，对信号进行小波包重构，进行消噪信号输出。位置(j,p)处的小波包系数可以利用下面公式重新构造：
[0053][0054]
获取降噪数据后，以一天作为一个时间单元，去除数据最高五分之一部分和最低五分之一部分，计算中间五分之三的数据的均值，以此作为压力平稳数据。
[0055]
驱动装置5由主动齿轮、从动齿轮52、步进电机51和控制mcu32构成。控制mcu32通过监测压力数据，判断光伏拉索410是否已进入预应力损失状态，当拉索预应力损失超过设定范围时，控制mcu32控制步进电机51进行工作，带动主动齿轮和从动齿轮52转动，从而实现转轴49的转动，逐渐收紧光伏拉索410，直到压力数据稳定处于预设安全范围，达到预应力损失智能控制功能。所述从动齿轮52转动一周对应的所述拉索410拉长的量δ为：
[0056]
δ＝noπr/12
ꢀꢀꢀ
(5)
[0057]
其中no为从动齿轮52转动的卡齿数，r表示索力至转轴49中心线距离。
[0058]
数据传输模块由数据存储单元33，控制mcu32，无线传输天线34、lora无线传输接口构成，压力传感器44检测到的数据通过控制mcu32处理后传输进入数据存储单元33，研究人员可通过lora无线传输接口和无线传输天线34与装置联网，采集数据。
[0059]
装置进行无线传输工作前，先完成入网操作，具体操作如下：
[0060]
步骤一：计算机发送开窗指令，允许预应力智能控制装置入网；
[0061]
步骤二：预应力智能控制装置通过天线发送入网请求，计算机接收后为预应力智能控制装置分配网络地址；
[0062]
步骤三：计算机获取预应力智能控制装置的信息，处理器为入网的预应力智能控制装置进行编号。
[0063]
无线传输装置：
[0064]
步骤一：预应力智能控制装置将当前接收到的压力数据信号实时进行小波包分解降噪处理，消除噪声，数据本地存储。之后去除数据最高五分之一部分和最低五分之一部分，计算中间五分之三的数据的均值，作为压力平稳数据本地存储。
[0065]
步骤二：计算机向预应力智能控制装置发送ad读取指令；
[0066]
步骤三：预应力智能控制装置接收到计算机指令，发送应答报文，计算机收到后接收预应力智能控制装置数据；
[0067]
步骤四：预应力智能控制装置通过lora无线传输接口和无线传输天线34发送ad数据，计算机接收；
[0068]
步骤五：选择列表中下一个预应力智能控制装置，重复以上步骤。
[0069]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。