數位化風向計與風速計之研究

A Study by Digitise of

Wind – Vane and Anemometer

高雄市立中正高工 電子科

 

作者:莊志偉 陳明賢 羅日城 郭繼隆

指導老師:王金松 老師

一、研究動機

有鑑於一般風向機都是機械式動作,只能供觀測用途,而無法直接運用在電機自動控制電路上,而且使用者必須到戶外樓頂上才能觀測得知風速及風向,甚為不便,若是在天氣不佳的情況,如大雨天或者是颱風天,因工作上需要知道風速及風向的變化,則必須要冒著生命危險到戶外樓頂上觀測才能得知,此時,若是能在室內就能立即得知室外的風速及風向的變化,就不必再到戶外樓頂上觀測,既方便又迅速,而且可加以直接運用在電機自動控制電路上,對於風向相關的儀器設備之用途都有所幫助。

因此我們在室外的風向機加裝一些數位感測器電路,將機械式風向機所測得的信號轉為數位信號傳至室內,經過數位電路的解碼後,再用LED顯示出風速和風向及其變化,就可直接觀測得知,這樣即使在室內也可輕易的得知風向。如此一來,也可利用風向器加以控制其它相關自動控制電路或設備。例如:風浪板、帆船船葉、船槳、風力發電機、空氣汙染偵測••••••,方面之應用。

台灣位於太平洋海島氣候,一年四季皆有強勁的海風,在屏東縣,澎湖縣早有風力發電之研發,而且已近乎興建,若風力發電機之風扇葉能自動調整與風向的垂直角度,則必定能大大提高風力發電機之效能。基於上述,讓我們夢想著來研究設計一台既省時又方便觀測,更可應用於無汙染風力發電的數位化風向計。

二、研究目的

  1. 在室內察看顯示器即可得知風速及風向的變化,不必再至戶外樓頂上觀測機械式的風向機,更可避開雨天和種種不利於觀測的麻煩,使觀察更加方便、迅速。
  2. 即時〈Real Time〉方式,隨時掌控風向,修正帆船帆葉,使風力動力船隻,達到省時的功用,以利其它相關風向設備之用途。
  3. 可藉由風向計來統計一年來的轉換,如冬天吹北風,夏天吹南風,利於學者在室內對某一特定地區從事長期統計之研究,亦可藉由風向的變化來判斷季節的轉換。
  4. 隨時得知風向及風速的大小,以利漁船在海上的作業。
  5. 可將風向的變化,修正發電機之扇葉片,提高發電機效率,達到無汙染的風力發電。

 

三、研究過程及方法

為了得知室外的風向,於是我們將風向分成三十二個方位,再將各個方位給予編碼,編成二進制數位碼〈00000~11111〉之後,在風向計旋轉的軸承上置放一個已有三十二個方位的圓形編碼盤,編碼盤即可緊隨風向計旋轉,編碼盤上裝設一組由五個發射器與五個光敏電阻接收器,上下對稱,用來擔任掃描之工作,當LED發射器所發射出的紅外線光通過編碼盤之後,經由光敏電阻接收器接收,光敏電阻接收器即可感應到一組五個輸入信號的傳入。

  1. 若接收器有感應到發射器所發出的光信號,即有通過編碼盤沒有被遮蓋住 → 就產生"1"的訊號輸出。
  2. 若無感應到信號傳入,即被編碼盤遮蓋住 → 就產生"0"的訊號輸出。

再將整個掃描的結果送至二個416的解碼器轉成532的解碼,解完碼之後,再用三十二個LED圍成一個圓形有三十二個方位的風向盤,做為輸出的顯示裝置,即可得知正確的風向方位。

例如:當風向由東方〈00000〉掃描到北方〈01000〉時,風向盤上的LED就由正東〈00000〉→東北東〈00010〉→東北〈00100〉→北北東〈00110〉→正北〈01000〉,接續亮,且在正北停止,由此就可由室內得知外面的風向是由東風轉為吹北風。

依地理教科書上所記載:地球上的風速可分為13級風,依13級風的規範來劃分,若風速在每秒約0.4公尺以下,是屬於無風的狀態,這時在電路上的32LED顯示器會停止顯示,以另一電路顯示為無風狀態,風速在每秒約0.4公尺以上,顯示為13個風級狀態。

我們經由風力的驅動使得外部的風速計轉動,經由發電機的發電原理,使轉速轉換為一電壓值,如果風速小,所產生的電壓也較小,風速大,所產生的電壓也較大,再送至全波整流電路取得DC值,再在經過OPA比較器,由13LED分別代表13級風級顯示,這樣就可以顯示其風速的等級。

風向系統方塊圖,如圖(一)所示。

風速系統圖,如圖(二)所示。

採用並聯法,並聯法是同時將輸入電壓和n個參考電壓比較,並決定輸入電壓值介於哪個參考電壓之間,因為經過整流的電壓比較,操作後便得到了結果的數字。因為並聯法的數元作並行處理的速度快,所以我們採用此方法作為加權電路的工作。

 

 

解碼器電路圖,如圖(三)所示。

LED發射器,發射出來的光,穿過編碼盤,由接收器接收信號,如果接收器有受光即為1的信號,沒有受光即為0的信號,10的信號再由解碼IC74154解碼,再由32PIN的顯示器,顯示出來,如此一來,我們就可以知道風的風向了。

 

 

 

三十二方位顯示表,如圖(四)所示。

 

 

 

地球科學風速分級表,如表一所示。

天文台描述

蒲福風級數字 (每千米風力時速)

天氣符號

風的描述

無風

0

(0-2)

無風

輕微

1

(3-5)

軟風

2

(6-11)

輕風

和緩

3

(12-19)

微風

4

(20-29)

和風

清新

5

(30-39)

清勁風

強風

6

(40-50)

強風

7

(51-61)

疾風

烈風

8

(62-74)

大風

9

(75-86)

烈風

暴風

10

(87-101)

狂風

11

(102-106)

暴風

颶風

12

(超過1160

颶風

四、實驗心得

我們由數位邏輯電路實驗此書得知:所謂的解碼器就是可以將各輸入的信號加以偵測,然後由輸出端輸出與輸入信號相對應的輸出狀態。例如:二進位十進數轉換成十進制的解碼器,會將二進制的輸入信號轉換成十進制的輸出信號。

本研究之風向計,可以用來偵測風所吹的方向,並已將大自然風方向轉成電氣信號,我們只要在室內觀測LED,就可得知風向了,如此電氣信號就可發展很多可用的地方,例如風浪板、帆船船葉等。更可應用在風力發電機,若隨時修正風力發電機的葉片與風向的相角呈垂直時,其更可發揮發電機的最大效能,而產生更大的電力。

將風速大致分成13個級風,並以蒲福風級來定義風的等級。量度的單位是千米/小時或是以海浬表示。

 

五、本研究之應用方面

利用風向器加以控制其它相關自動控制電路或設備。例如以風力發電機來做說明:

風力發電機的發電葉片若是固定不變的方向形式,則發電葉片不可能隨時都與風向成相互垂直之狀態,相對的,風力發電機的效能,即無法全力發揮。若風力與發電葉片隨時〈Real Time〉相互垂直,即可獲得最大的風力發電機,所以,若能應用風向感測器,即可隨時改變發電葉片與風向的角度相互垂直之狀態,使其發揮最大的效能,而產生更大的電力。

發電機如同一部小型發電廠,可用來供給較偏僻地區的家庭、社區、工廠之用電,自給自足;因為電力公司配電工程龐大,送電不易,最適合用風力來發電,以自給自足的方式供應該地方所需的能源;或者是在出外旅行、露營時,如果遇到電力短缺,停電時也可利用風向計來幫助發電產生電力,以提供所需要的能源。

六、參考文獻

  1. 林元泰,數位邏輯電路實驗 ,全華科技圖書股份有限公司 。
  2. 吳朗 博士,感測器原理與應用 ,全華科技圖書股份有限公司。
  3. 羅博立,“新地理”,文建出版〈香港〉有限公司。