基于风力发电的小型模拟装置

郭永亮

（唐山市燕山钢铁有限公司，河北迁安，064400）

0 引言

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，但是随着煤炭、石油和天然气等不可再生资源日渐枯竭，生态环境的承载力也在急剧下降，人类社会的可持续发展受到了严重的挑战[1]。然而，风能作为新能源开发的重要组成部分，是解决能源危机和环境问题的一个重要地有效手段。同时风力发电具有无污染、投资短、破坏耕地少等现实优点，极具发展前景[2]。

预计到本世纪中叶，全球风力发电将达到7.541TWh，发电规模将占据全球发电量的五分之一左右[3]。我国地域辽阔，风力资源非常丰富，丰富的风力资源促使风力发电有很大的前景成为未来我国能源结构中的重要组成部分。

因此，本文设计了一种风力发电的小型模拟装置，采用Arduino芯片及其角度传感器、三轴传感器、直流发电机等元器件构建的能够用于实时采集风速、风向等数据，利用最小二乘算法拟合相关数据[4]，使用LCD显示器实时显示风速、风向、LED指示灯工作状态、发电功率等信息。本系统主要由直流发电模块、电流转换模块、主控模块、角度信号采集模块、报警电路、显示模块等组成。

1 系统总体结构设计

本系统主要实现的功能如下所列：

(1)利用家用电风扇带动直流发电机的扇叶旋转，使得直流发电机产生电流，点亮LED指示灯；(2)利用角度传感器对风向进行实时检测；(3)利用最小二乘算法构建风速与电压之间的线性函数关系；(4)利用三轴传感器来监测风力发电小型模拟装置的水平状态；(5)当风速超过小型风力发电模拟装置的安全使用上限时，进行超速报警；(6)加装太阳能电池板，初步探索并行发电模式，便于进一步提升综合发电效率。

图1 系统总体结构设计原理框图

2 系统的硬件部分电路设计

2.1 发电装置原理图

发电装置原理图主要是通过使用电路设计软件，从理论上给出电子元器件的仿真组装、电路设计的依据，高效地完成风力发电小型模拟装置的理论设计。

图2 发电装置原理图

2.2 电流转换电路

电流转换电路主要是通过将直流发电机发出的电流转换成所对应的电压值，利于后面使用电压数据与风速之间构建线性函数关系，计算发电功率。

图3 电流转换电路

2.3 报警电路

报警电路主要是用于检测，当角度传感器转到指定位置时进行位置报警；同时当风速超过直流发电机发电的上限时进行超速报警。

图4 报警电路

2.4 液晶显示电路

液晶显示电路主要是用于对小型模拟发电装置进行风向、风速、发电功率等信息的实时显示。

图5 液晶显示电路

3 系统的软件部分设计

基于风力发电的小型模拟装置主要包含主控模块、显示模块、角度传感模块、三轴传感模块、电流电压测量模块、报警模块等几部分的软件设计。其中风速与电压的对应函数公式采用：F=V*0.27+0.98。获得该函数关系主要是通过采集的风速与输出电压值之间的数据，应用最小二乘法计算得出。具体的风速、电压数据对应情况见下表。

表1 风速电压对应表

以下为部分风速、电压测试程序：

4 实际测试结果

4.1 测试条件

电源电压为距离1.5m，测试风扇功率30w。

4.2 测试仪器

测试仪器：风速测量仪AC862，精度为±3%±0.1dgt，数字万用表。

4.3 实际电流测试及部分代码

以下为部分电流测试程序：

表2 电流测试表

4.4 实际方向测试及部分代码

表3 方向测试表

以下为部分风向测试程序：

4.5 实际风速测试及部分代码

表4 风速测试表

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，实际风速由风速测量仪AC862给出；测试风速由该发电模拟装置的具体测试电路及程序计算获得。

4.6 实物测试结果显示图

基于风力发电的小型模拟装置如下图6所示。通过该图，能够清楚地看出基于风力发电的小型模拟装置能够显示风速、风向、发电电流等信息。因此，从其实际的测试结果可以知道：基于风力发电的小型模拟装置能够准确可靠地实现相关的发电模拟功能，同时运行相对平稳。

图6 实物测试结果

5 结论

基于风力发电的小型模拟装置可以使得本公司的电气、仪表等技术人员较为真实了解清洁能源的利用过程，设身处地理解风向、风速等载荷变化对实时发电功率的影响情况，进一步加深节能用能的安全使用意识及对节能减排的深刻认知。

本文设计的是基于风力发电的小型模拟装置，实现风力发电、点亮LED指示灯，同时可以在LCD1602液晶显示器上实时显示风向、风速和发电功率等信息。该电子装置主要实现了风向、风速、发电功率及当风向转至到给定的设置方向时，报警电路发声报警、显示数据等功能。本实验平台具有直观性较好、功能性较为多样、体系较为开放以及较为贴近工程实践的诸多优点。因此，该小型模拟装置从一定意义上实现了风力发电的自动化管理，为企业开展风力发电、节约风力发电人工成本，提升发电效益给出参考路径[5]。为下一步企业进行能源结构调整，升级企业在发电、输电及配电过程中的电气仪表等智能化的管理指明了发展方向。

6 结束语

国家正在大力实施新能源发展战略，处于能源供给侧结构调整的关键时期。风力发电作为新能源种类之一，其必将有助于能源结构调整，降低能耗，利于推动实现节能减排，实现绿色发展[6]。

河北省唐山市作为全国京津冀地区的骨干城市，其唐山迁安又因钢铁而闻名于全国。身处迁安的燕山钢铁有限公司现处于产业转型的关键时期，节能减排、绿色发展尤为重要。因此，本文针对基于风力发电的小型模拟装置进行了实地测试，意在为本公司调整能源结构、改善能源供给方式提供一定的借鉴意义；同时，作为本公司的电气仪表类工程技术人员带领普通员工对加深能源结构调整的大局意识和实际岗位工作的仿真体验具有一定的指导作用。