[[alternative]]A remote anemometer based on hybrid power systems

Abstract

碩士[[abstract]]在高海拔地區，許多氣象監測站設置，但是它們仍須倚靠外部供電，這導致監測站建置受限。為了克服供電以及長距離回傳訊問題，我們採用光纖，由於它的電磁免疫力及傳輸損失比銅線要好得多。此外，它的生產原料是矽，蘊藏量極大，容易開採，所以價格很便宜。 設計的目標是在氣象監測站實現遠距離環境監測和綠色能源供應。即使綠色能源供應不足以支持通信，所提的方案基於複合電力系統將仍然可傳遞監測訊息返回中央控制室。因此，我們探討基於複合式電力系統之遠程風速儀，包括風力發電及光功率泵浦系統。一個微型水平軸式風力發電機產生風力電力及風速信息，其輸出電訊號可直接驅動雷射二極體。經由光纖，雷射二極體的輸出光傳播回中央控制室的後處理單元，以便測量被監測的風速。如果風力電力太低以致不能使有效的信息傳回，在中央控制室的光功率泵浦系統可替代地激活和偏壓雷射二極體。 因此，本論文展示了基於複合式電力系統之遠程風速儀，其光功率泵浦系統可以成功地作為輔助電力。[[abstract]]At high altitude, many meteorological stations have set, but they still rely on the external electrical power supply, which causes them a construction limitation. To overcome the problem of the power supply and long-range communication, we employ the optical fiber due to its electromagnetic immunity and transmission loss much better than copper wire. Additionally, its raw material is silicon, a significant amount, easily mined, so the price is very low. The design goal is to achieve remote environmental monitoring and green energy supply at a meteorological station. Even though the green energy supply is insufficient to support communication, the proposed scheme based on hybrid power systems will still communicate the monitored information back to central control office. Thus we discuss the remote anemometer based on hybrid power systems, including the wind power and optical power pumping systems. A miniature horizontal axis wind turbine, whose output electrical signal can directly drive the laser diode, generates the wind power and wind speed information. The output light of the laser diode via the optical fiber propagates back to the post-processing unit of central control office so as to measure the monitored wind speed. If the wind power is too low to enable the valid information back, the optical power pumping system at central control office can alternatively activate and bias the laser diode. Therefore, this paper has demonstrated the remote anemometer based on hybrid power systems, whose optical power pumping system can successfully act as an auxiliary power.[[tableofcontents]]目錄 第一章 緒論 1 1 1前言 1 1 2研究動機 2 1 3 論文架構 2 第二章 光激致發光原理與先前技術 3 2 1半導體雷射介紹 3 2 1 1工作原理 3 2 1 2電激發與光激發 4 2 2光激致發光原理介紹 7 2 3光激致發光系統說明 8 2 3 1 雷射遠程感測器 8 2 3 2 光激致發光系統架構 9 第三章 關鍵元件及原理介紹 11 3 1風力發電機介紹 11 3 1 1前言 11 3 1 2風力發電理論探討 13 3 1 3 風力發電歷史回顧 15 3 1 4風力發電的風扇葉 15 3 1 5三片的風扇葉普及與缺點 17 3 2 風速儀 22 3 3波長選擇耦合器 26 3 4 光纖去極化器 27 3 5 二極體 30 3 5 1 蕭特基二極體 30 3 5 2 鍺二極體 31 3 5 3 二極體比較 32 第四章 實驗設置及量測結果 33 4 1實驗介紹 33 4 1 1 分布式回饋雷射 33 4 2風力發電機 34 4 3 遠程光激致發光 37 4 3 1光激致發光 37 4 3 2 二極體效果 41 4 4 遠距光泵激DFB雷射之實驗結果 43 第五章 結論與未來研究方向 45 5 1 結論 45 5 2 未來研究方向 45 參考文獻 47 圖目錄 圖2 1 簡易的雷射模型與其構成的要件 3 圖2 2半導體雷射居量反轉示意圖 4 圖2 3(a) 發光二極體的基本結構 6圖2 3(b) 發光二極體的發光機制 6 圖2 4 光激致發光原理示意圖 7 圖2 5掃描鈦藍寶石雷射波長測量樣品吸收光譜 8 圖2 6 遠端光激致發光系統架構 10 圖3 1 阻力型_垂直桶型風扇 12 圖3 2 升力型_曲線垂直軸型風扇 12 圖3 3 單葉片的水平軸風力發電機 14 圖3 4 扇葉多寡對轉速的影響 18 圖3 5 本篇採用之四葉片式小型發電機 21 圖3 6 對照組風速儀介紹 25圖3 7 波長選擇耦合器示意圖 26 圖3 8去極化原理示意圖 29 圖3 9 蕭特基二極體符號 30 圖4 1 1550-nm DFB-LD L-I 關係曲線 33圖4 2 風力發電機產生的電壓 34圖4 3 發電機輸出電流與頻率關係圖 35 圖4 4 在每秒4公尺的風速所產生的轉速頻率 36 圖4 5 在每秒6公尺的風速所產生的轉速頻率 36 圖4 6 光激致發光的泵浦電流與輸出能量系統架構 37圖4 7 光激致發光的L-I曲線圖 38圖4 8 DFB感應產生的電壓 39圖4 9 光激致發光時遠程泵浦雷射為10 mA 40 圖4 10 光激致發光時遠程泵浦雷射為80 mA 40 圖4 11 光激致發光時有無二極體的電流比較 41 圖4 12 光激致發光時有無二極體的頻率比較 42 圖4 13 本監測系統之實驗架構圖 43 圖4 14 初步測量之頻率電流與風速關係圖 44 表目錄 表3 1扇葉多寡對轉速的影響 16 表3 2風輪轉速的因素 20 表3 3風速狀況對照表 22表3 4二極體比較 32[[note]]學號: 603440248, 學年度: 10