基于風(fēng)力發(fā)電的小型模擬裝置

郭永亮

（唐山市燕山鋼鐵有限公司，河北遷安，064400）

0 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，但是隨著煤炭、石油和天然氣等不可再生資源日漸枯竭，生態(tài)環(huán)境的承載力也在急劇下降，人類社會的可持續(xù)發(fā)展受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[1]。然而，風(fēng)能作為新能源開發(fā)的重要組成部分，是解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的一個重要地有效手段。同時風(fēng)力發(fā)電具有無污染、投資短、破壞耕地少等現(xiàn)實(shí)優(yōu)點(diǎn)，極具發(fā)展前景[2]。

預(yù)計到本世紀(jì)中葉，全球風(fēng)力發(fā)電將達(dá)到7.541TWh，發(fā)電規(guī)模將占據(jù)全球發(fā)電量的五分之一左右[3]。我國地域遼闊，風(fēng)力資源非常豐富，豐富的風(fēng)力資源促使風(fēng)力發(fā)電有很大的前景成為未來我國能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。

因此，本文設(shè)計了一種風(fēng)力發(fā)電的小型模擬裝置，采用Arduino芯片及其角度傳感器、三軸傳感器、直流發(fā)電機(jī)等元器件構(gòu)建的能夠用于實(shí)時采集風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，利用最小二乘算法擬合相關(guān)數(shù)據(jù)[4]，使用LCD顯示器實(shí)時顯示風(fēng)速、風(fēng)向、LED指示燈工作狀態(tài)、發(fā)電功率等信息。本系統(tǒng)主要由直流發(fā)電模塊、電流轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、角度信號采集模塊、報警電路、顯示模塊等組成。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能如下所列：

(1)利用家用電風(fēng)扇帶動直流發(fā)電機(jī)的扇葉旋轉(zhuǎn)，使得直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流，點(diǎn)亮LED指示燈；(2)利用角度傳感器對風(fēng)向進(jìn)行實(shí)時檢測；(3)利用最小二乘算法構(gòu)建風(fēng)速與電壓之間的線性函數(shù)關(guān)系；(4)利用三軸傳感器來監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電小型模擬裝置的水平狀態(tài)；(5)當(dāng)風(fēng)速超過小型風(fēng)力發(fā)電模擬裝置的安全使用上限時，進(jìn)行超速報警；(6)加裝太陽能電池板，初步探索并行發(fā)電模式，便于進(jìn)一步提升綜合發(fā)電效率。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計原理框圖

2 系統(tǒng)的硬件部分電路設(shè)計

2.1 發(fā)電裝置原理圖

發(fā)電裝置原理圖主要是通過使用電路設(shè)計軟件，從理論上給出電子元器件的仿真組裝、電路設(shè)計的依據(jù)，高效地完成風(fēng)力發(fā)電小型模擬裝置的理論設(shè)計。

圖2 發(fā)電裝置原理圖

2.2 電流轉(zhuǎn)換電路

電流轉(zhuǎn)換電路主要是通過將直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電流轉(zhuǎn)換成所對應(yīng)的電壓值，利于后面使用電壓數(shù)據(jù)與風(fēng)速之間構(gòu)建線性函數(shù)關(guān)系，計算發(fā)電功率。

圖3 電流轉(zhuǎn)換電路

2.3 報警電路

報警電路主要是用于檢測，當(dāng)角度傳感器轉(zhuǎn)到指定位置時進(jìn)行位置報警；同時當(dāng)風(fēng)速超過直流發(fā)電機(jī)發(fā)電的上限時進(jìn)行超速報警。

圖4 報警電路

2.4 液晶顯示電路

液晶顯示電路主要是用于對小型模擬發(fā)電裝置進(jìn)行風(fēng)向、風(fēng)速、發(fā)電功率等信息的實(shí)時顯示。

圖5 液晶顯示電路

3 系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計

基于風(fēng)力發(fā)電的小型模擬裝置主要包含主控模塊、顯示模塊、角度傳感模塊、三軸傳感模塊、電流電壓測量模塊、報警模塊等幾部分的軟件設(shè)計。其中風(fēng)速與電壓的對應(yīng)函數(shù)公式采用：F=V*0.27+0.98。獲得該函數(shù)關(guān)系主要是通過采集的風(fēng)速與輸出電壓值之間的數(shù)據(jù)，應(yīng)用最小二乘法計算得出。具體的風(fēng)速、電壓數(shù)據(jù)對應(yīng)情況見下表。

表1 風(fēng)速電壓對應(yīng)表

以下為部分風(fēng)速、電壓測試程序：

4 實(shí)際測試結(jié)果

4.1 測試條件

電源電壓為距離1.5m，測試風(fēng)扇功率30w。

4.2 測試儀器

測試儀器：風(fēng)速測量儀AC862，精度為±3%±0.1dgt，數(shù)字萬用表。

4.3 實(shí)際電流測試及部分代碼

以下為部分電流測試程序：

表2 電流測試表

4.4 實(shí)際方向測試及部分代碼

表3 方向測試表

以下為部分風(fēng)向測試程序：

4.5 實(shí)際風(fēng)速測試及部分代碼

表4 風(fēng)速測試表

1.4 5 1.5 0 2.1 1 2.2 1 2.7 3 2.7 1 1.5 6 1.4 5 2.2 2 2.1 9 2.8 1 2.7 9 1.6 9 1.5 6 2.3 5 2.4 0 2.9 0 2.9 0 1.7 9 1.7 4 2.4 5 2.4 6 3.0 5 2.9 8

其中，實(shí)際風(fēng)速由風(fēng)速測量儀AC862給出；測試風(fēng)速由該發(fā)電模擬裝置的具體測試電路及程序計算獲得。

4.6 實(shí)物測試結(jié)果顯示圖

基于風(fēng)力發(fā)電的小型模擬裝置如下圖6所示。通過該圖，能夠清楚地看出基于風(fēng)力發(fā)電的小型模擬裝置能夠顯示風(fēng)速、風(fēng)向、發(fā)電電流等信息。因此，從其實(shí)際的測試結(jié)果可以知道：基于風(fēng)力發(fā)電的小型模擬裝置能夠準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)相關(guān)的發(fā)電模擬功能，同時運(yùn)行相對平穩(wěn)。

圖6 實(shí)物測試結(jié)果

5 結(jié)論

基于風(fēng)力發(fā)電的小型模擬裝置可以使得本公司的電氣、儀表等技術(shù)人員較為真實(shí)了解清潔能源的利用過程，設(shè)身處地理解風(fēng)向、風(fēng)速等載荷變化對實(shí)時發(fā)電功率的影響情況，進(jìn)一步加深節(jié)能用能的安全使用意識及對節(jié)能減排的深刻認(rèn)知。

本文設(shè)計的是基于風(fēng)力發(fā)電的小型模擬裝置，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電、點(diǎn)亮LED指示燈，同時可以在LCD1602液晶顯示器上實(shí)時顯示風(fēng)向、風(fēng)速和發(fā)電功率等信息。該電子裝置主要實(shí)現(xiàn)了風(fēng)向、風(fēng)速、發(fā)電功率及當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)至到給定的設(shè)置方向時，報警電路發(fā)聲報警、顯示數(shù)據(jù)等功能。本實(shí)驗平臺具有直觀性較好、功能性較為多樣、體系較為開放以及較為貼近工程實(shí)踐的諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，該小型模擬裝置從一定意義上實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電的自動化管理，為企業(yè)開展風(fēng)力發(fā)電、節(jié)約風(fēng)力發(fā)電人工成本，提升發(fā)電效益給出參考路徑[5]。為下一步企業(yè)進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，升級企業(yè)在發(fā)電、輸電及配電過程中的電氣儀表等智能化的管理指明了發(fā)展方向。

6 結(jié)束語

國家正在大力實(shí)施新能源發(fā)展戰(zhàn)略，處于能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時期。風(fēng)力發(fā)電作為新能源種類之一，其必將有助于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，降低能耗，利于推動實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展[6]。

河北省唐山市作為全國京津冀地區(qū)的骨干城市，其唐山遷安又因鋼鐵而聞名于全國。身處遷安的燕山鋼鐵有限公司現(xiàn)處于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，節(jié)能減排、綠色發(fā)展尤為重要。因此，本文針對基于風(fēng)力發(fā)電的小型模擬裝置進(jìn)行了實(shí)地測試，意在為本公司調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、改善能源供給方式提供一定的借鑒意義；同時，作為本公司的電氣儀表類工程技術(shù)人員帶領(lǐng)普通員工對加深能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的大局意識和實(shí)際崗位工作的仿真體驗具有一定的指導(dǎo)作用。