风力发电势能的计算及应用
eeskill 2022-08-01

高升的化石燃料价格与对全球变暖的恐惧使人们对可再生能源的兴趣大增,并使得相关支持与演示仪表也受到关注。本设计顺应了这一形势,能够直接和方便地测量一种重要的可再生能源:风能。它便于对可能的风力发电机场地作快速而简单的初步评估,带有一个风速变换器,其中包含一个光学检测型叶片式风速计;一个温度传感器,其中包含一个接成二极管的晶体管(图1)。这些元件与一个数字/模拟混合电路相连接,它们共同提供实时、线性、有温度补偿的风能密度读数。

风力的发电势能是:×空气密度 (kg/m3)×空气流速 (m/sec)3。因此,为计算这个值就需要估算空气密度(空气密度与绝对温度成反比),还需要测量空气流速和计算一个三次方。

下面就是风能计的详情。接成二极管的Q1在25°C (298K)时约为600 mV的基射电压和–2 mV/°C的温度系数,偏置电流为550 A。因此,Q1是一个跟踪空气密度与温度关系的电压基准,按照理想气体定律,空气密度与温度的关系为:–0.3%/°C。同时,光传感器O1与一个旋转风速计叶轮一起工作,提供与风速成正比的频率:FW=10 Hz/(m/s)。于是,VQ1和FW 按1mV=1W/m2转换为输出信号就是三个级联CMOS开关FVC(频率-电压转换器)电荷泵S1、S2,和S3的三阶X×Y×Z乘积的函数。

FVC S1/IC1A产生一个–0.17×VQ1×FW的负电压;FVC S2/IC1B产生V2=–V×FW=0.17×VQ1×FW2;而FVC S3/IC1D产生–V3=–0.17×VQ1×FW3。最后,差分变换器IC1C将–V3偏移并缩放至输出VOUT=0.42×VQ1×FW3=1V/(kW/m2)。

用汽车可以简单地校准风能计,方法是在无风天以18.6 m/s = 41.5 mph = 66.8 kph的恒定速度驾驶。风速计暴露在外面气流中,调整校准用电位器,使输出电压为4V,如果要获得更好的精度,可以按下列适应真实空气密度的公式计算输出电压:VOUT=1.14V × 空气压力 mbar/(273+以摄氏为单位的环境温度)。

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