關於補償溫度的線性可再生能源風能表

2020-12-04 電子產品世界

　高升的化石燃料價格與對全球變暖的恐懼使人們對可再生能源的興趣大增，並使得相關支持與演示儀表也受到關注。本設計順應了這一形勢，能夠直接和方便地測量一種重要的可再生能源：風能。它便於對可能的風力發電機場地作快速而簡單的初步評估，帶有一個風速變換器，其中包含一個光學檢測型葉片式風速計；一個溫度傳感器，其中包含一個接成二極體的電晶體（圖1）。這些元件與一個數字/模擬混合電路相連接，它們共同提供實時、線性、有溫度補償的風能密度讀數。
　　

風力的發電勢能是：×空氣密度 (kg/m3)×空氣流速 (m/sec)3。因此，為計算這個值就需要估算空氣密度（空氣密度與絕對溫度成反比），還需要測量空氣流速和計算一個三次方。

　　下面就是風能計的詳情。接成二極體的Q1在25°C (298K)時約為600 mV的基射電壓和–2 mV/°C的溫度係數，偏置電流為550 A。因此，Q1是一個跟蹤空氣密度與溫度關係的電壓基準，按照理想氣體定律，空氣密度與溫度的關係為：–0.3%/°C。同時，光傳感器O1與一個旋轉風速計葉輪一起工作，提供與風速成正比的頻率：FW=10 Hz/(m/s)。於是，VQ1和FW 按1mV=1W/m2轉換為輸出信號就是三個級聯CMOS開關FVC（頻率-電壓轉換器）電荷泵S1、S2,和S3的三階X×Y×Z乘積的函數。

　　FVC S1/IC1A產生一個–0.17×VQ1×FW的負電壓；FVC S2/IC1B產生V2=–V×FW=0.17×VQ1×FW2；而FVC S3/IC1D產生–V3=–0.17×VQ1×FW3。最後，差分變換器IC1C將–V3偏移並縮放至輸出VOUT=0.42×VQ1×FW3=1V/(kW/m2)。

　　用汽車可以簡單地校準風能計，方法是在無風天以18.6 m/s = 41.5 mph = 66.8 kph的恆定速度駕駛。風速計暴露在外面氣流中，調整校準用電位器，使輸出電壓為4V，如果要獲得更好的精度，可以按下列適應真實空氣密度的公式計算輸出電壓：VOUT=1.14V × 空氣壓力 mbar/(273+以攝氏為單位的環境溫度)。

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