ЛАБОРАТОРНО УПРАЖНЕНИЕ

МИКРОПРОЦЕСОРНА СИСТЕМА ЗА ИЗМЕРВАНЕ ПАРАМЕТРИТЕ НА СЛЪНЦЕ, ВЯТЪР И ОКОЛНА СРЕДА

1. Цел на лабораторното изследванеЦелта на лабораторното изследване е експериментално да се

получат стойностите на параметрите на вятърната и слънчева енергия. Паралелно с това се извършва наблюдение на някои основни параметри на околната среда (температура, относителна влажност и атмосферно налягане)

2. Теоретична част

2.1 Основни параметри на слънчева и ветрова енергии

2.1.1 Слънчева константа и слънчев спектърТемпературата на Слънцето е Тел=5762 °К. Лъчението от него съответства

на излъчване на абсолютно черно тяло със същата температура. Използвайки закона на Стефан – Болцман и диаметъра на Слънцето 1,39.109 км може да се запише:

Асл.Gсл = Асл Тсл 4= Dсл2 Тсл

4. , W (1)

където Асл е повърхността на Слънцето ,м2;Тсл – температура на повърхността на Слънцето , °К;Dсл – диаметър на Слънцето , м;= 5,67. 10-8 w/m2K4 – константа на Стефан – Болцман;Gсл – плътност на излъчваната от повърхността на Слънцето мощност, W/m2.

След заместване на стойностите за диаметъра на Слънцето и константата на Стефан-Болцман в (1) за мощността, излъчвана от повърхността на Слънцето се намира:

Асл Gсл = 3,7936. 1026 W, (2)

от (1.2.) се получава плътността на мощността Gсл = 62,499. 1026 W/m2 . (3)Поради огромното разстояние, на което се намира Земята от Слънцето (около АЕ=1,5.108 км), слънчевата радиация достигаща до горните слоеве на земната атмосфера е силно отслабена и може да се пресметна от:

Go = 1341,7 , W/m2 (4)

Тази величина е известна като СЛЪНЧЕВА КОНСТАНТА.

Максимумът на радиацията е при около 0,5m в средата от видимата част на слънчевия спектър. Законът на Вин дава връзката между максимума на дължината на вълната max и абсолютната температура на излъчващото тяло или:

max. T = 0,0028978 m K = 2897,8 mK, (5)

където max е дължината на вълната, при която лъчението е максимално, m или m;

T – абсолютната температура на излъчващото тяло,° К.Ако излъчващото тяло е с температура 100С = 373 К, то максимумът на лъчението се намира при дължина на вълната max=7,8m, т.е. в инфрачервената област на спектъра. Известно е, че около 47% от слънчевата радиация достигнала Земята се дължи на видимата част от слънчевия спектър, а останалите 53% - на невидимата част.

2.2 Основни параметри на вятъра

2.2.1 Скорости на вятъраПрофил на вертикалната компонента на вятъра – това е изменението на

скоростта на вятъра по височина в приземния слой. Влиянието на земната повърхност върху скоростта и направлението на вятъра намалява с увеличаване на височината. Обикновено скоростта нараства, а опасните пориви на вятъра намаляват. При адиабатичен градиент вертикалния профил на вятъра V(h) се апроксимира във вида :

или ,

където :V1 – скорост на вятъра, близо до Земята на височина h1;V – скорост на височина h; h0 – височина, при която скоростта на вятъра е равна на нула.Профил на хоризонталната компонента на вятъра. Хоризонталните компоненти на скоростите на вятъра са обикновено два

порядъка по-големи от вертикалните, но могат да варират твърде много с височината под влияние на силите на триене и динамичното въздействие върху земната повърхност и геострофичния вятър отгоре, който се определя от въртенето на Земята.

Нулата на профила на скоростите често се оставя като параметър, така че :

d0 – нулево отместване, позволява да се определи този параметър, независимо от размера на неравност h0 , като и двете величини се явяват свойства на повърхността.

Това е удобно за гори и градове, чиито размери на неравност варират от около 0,3 m до няколко метра. За тях скоростния профил започва на височина 10 - 50 m над земната повърхност. За определени h0 и d0 уравнението описва едно семейство профили, зависещо единствено от скоростта на триене. За дадено място то се определя по същество от скоростта на геострофичния вятър, което предполага все още един адиабатен (неутрален) температурен профил.

Ако атмосферата не е неутрална, моделът се видоизменя, като скоростта на вятъра може да се представи :

L – степен на атмосферна стабилност (дължина на Монин-Обухов). Функцията f е логаритмична само в случай на адиабатичен вертикален

градиент. По този начин L е мярка за пренос на топлина в близост до повърхността, определяща стабилността на атмосферата. Профилите на вятъра показват, че едно устройство за преобразуване на вятърната енергия, поставено в приземния атмосферен слой, ще изпитва действие на значително различаващи се скорости в различните си краища (фиг. 1).

Фиг. 1 Скорост на вятъра

Само в относително малко случаи локалната топография може да се използва за увеличаване на кинетичната енергия на вятъра на височини удобни за енергодобив. В повечето случаи, оптималното място ще бъде с плоска и възможно най-гладка повърхност по посока на преобладаващите ветрове. Тъй

0

002

1

log.h

dhhV

L

hf

L

hfhV 0

21

.

като специфичния размер на неравност върху водната повърхност е от порядъка на 1mm, най-подходящи за преобразуване на вятърната енергия са местата по крайбрежието.

2.2.2 Мощност на вятъра

Мощността на ветровия поток Р преминаващ през напречно сечение с

площ F е равна на произведението на тази площ със скоростта на потока V и

кинетичната енергия на единица обем от потока.

dE = 0,5 . dm . V2

За масата на този обем се получава ю

dm = .dV [kg] , където -плътност на въздуха,[kg/m3]; V- обем [m3]

smdt

dxv /

Скорост :

За масата на единица обем се получава:

След заместване в уравнението за dE се получава:

Мощността на въздушния поток е:

3. Структурна схема на системата

Фиг. 2 Структурна схема на системата

Структурната схема на цялостната система е представена на фиг.9. Основните елементи са персонален компютър, приемо-предавателно устройство, микропроцесорна система и датчиците за измерване параметрите на слънчевата и ветрова енергии. Особеност на изпълнението,е че датчиците за температура, относителна влажност и атмосферно налягане са разположени в кутията на микропроцесорната система. Това се налага поради избраната схема на изпълнение и използваните регистриращи устройства, които не могат да бъдат на голямо разстояние от специализирания микропроцесор.

Типа на връзката между компютъра и приемо-предавателното устройство е RS232, а между приемо-предавателното устройство и микропроцесорната система – UTP (усукани двойки проводници). Датчиците за слънчева радиация и скорост на вятъра са свързани посредством двужилен екраниран кабел , с цел отстраняване на вредни външни въздействия. Кабелът използван за свързване на датчика за посока на вятъра е троен, многожилен 0,5 mm2 , тъй като действието на този датчик се основава на измерването на електрическо съпротивление.

Блокова схема

Представената блок схема илюстрира основните компоненти на изградената система.

Връзката между първия блок (персоналния компютър) е еднопосочна и е от типа RS232 . По нея става трансфер на данните от микропроцесорната система към софтуера за обработка на отчетените резултати. Поради типа на връзката физическото разстояние между тези два блока не може да надвишава два метра, така че е необходимо приемо-предавателното устройство да е в

близост до персоналния компютър. Тъй като това предполага наличието на източник на електрическа енергия, от тук се осъществява и захранването на микропроцесорната система. За захранване е необходим източник на положително постоянно напрежение с големина 12V и ток поне 500 mA. Важно условие за безпроблемната и коректна работа на системата е това напрежение да бъде стабилизирано.

Втория канал за връзка – между приемо-предавателното устройство и микропроцесорната система е от типа UTP (усукани двойки проводници). Този канал е двупосочен – в едната посока се предават данни от датчиците, а в другата се захранва микропроцесорната система. Естеството на връзката позволява разстоянието между двата основни блока да е от порядъка на 150 метра.

3.1 Принципна електрическа схема на микропроцесорната система

3.2

Електрическа схема на приемо-предавателното устройство

4. Датчици за регистриране на параметрите

4.1 Фотоволтаичен преобразувател тип SI-01 TC

Изработен на принципа на Si слънчева клетка за изпълнение на функция–сензор който реагира на облъчване. Измерва пълната слънчева радиация, пряка и дифузна падаща върху плоскостта на Si пластина. Токът на късо съединение на слънчевата клетка е пропорционален на интензитета на радиацията. Токът на късо съединение на слънчевата клетка създава един положителен температурен коефициент, който предизвиква грешка, поради тази причина в сензора SI-01 TC е предвидена температурна компенсация. Сензорът е калибриран в мащаб 1V = 1000 W/m2 . Така директно може да бъде включен към волтметър.

технически данни на Si – 01 TC :сензор - Al кожух с изолирано покритие, стъклен ламинат (Стъкло- EVA – Cell – EVE – Tedlar)Монокристална силицева слънчева клеткаРазмер на клетката : 50 х 50 ммКонструкция: като PV модул Алуминиев корпус с конектор защитен от вода (IP 65)Температурен сензор закрепен на задната частИзходен сигнал: Uirr =1V при G=1000 W/m2

Шунт: 0,1W, TK=20 ppm/KЗахранване: 3,6V/1,2Ah – литиева батерияработна температура: от -20˚С до +70˚СРазмери: 98х76х37 mmТегло: около 200gГрешка при загряване на слънчевата клетка – +/-0,2%, от измерването за интервал от 0˚C до 60˚CДатчикът Si – 01 TCе тариран с термоелектричен пиранометър Kripp&Zonen CM11.

Фотоволтаичните клетки генерират електрически ток, когато повърхността им се облъчи. При определено ниво на слънчевата радиация, фотоволтаичния ток е много пъти по-голям от термоелектричния ток, на базата на който работят пиранометрите. Това прави фотоволтаичните сензори много перспективни. Важни характеристики на пиранометрите, които влияят върху точността на измерване представляват чувствителността на прибора, стабилността му, времето за реакция на радиация, линейността на показанията, чувствителността на термично влияние и спектралната реакция. Открояват се

някои от следните главни характеристики на използвания фотоволтаичен сензор тип SI-01 TC:

- той е портативен- измерва глобалната радиация във W/m2 до 1999 W/m2 - точността на инструмента е +/-5% между 10:00 и 15:00 (азимутен ъгъл

по-малък от 30˚) и 5 до 9% - за останалите часове от деня- ниска цена

4.2 Датчици за параметрите на вятъра

За силата на вятъра – асинхронен тахогенератор. Амплитудата на синусоидалния сигнал от тахогенератора се преобразува в постоянно ниво ( константа на интегриране 0,2 s ).За посоката – датчик работещ на принципа на пълнооборотен потенциометър.

4.3 Датчици за параметри на въздуха 4.3.1 Датчик за температура

В системата е използван едночипов цифров датчик до 12 бита ( DS18B20 на фирмата DALLAS SEMICONDUCTORS ).

Характеристики на датчика:- “едножичeн” интерфейс изискващ само един проводник за

комуникация,- всяко устройство притежава 64-битов идентификационен код,

съхранен в ROM паметта му,- не изисква допълнителни активни или пасивни елементи свързани към

външната му верига,+- може да черпи захранване от информационна линия, захранващото

напрежение е в границите от 3,0 до 5,5 V,- измерва температура в диапазона от -55˚ до +125˚C,- +/- 0,5˚C чувствителност в диапазона от –10˚ до +85˚C,- конвертира температурата в 12 битова цифрова дума за 750ms (max),- софтуерна съвместимост с DS1822,- области на приложение – в индустриални системи, системи за

термостатичен контрол, цифрови термометри, различни следящи системи отчитащи промяната на температурата.

разположение на изводите:

- GND – земя - DQ – информационен вход/изход

- VDD – захранващо напрежение

Фигура 3: Схема на датчика за температура

Фигура 4: Крива на точността на термодатчик DS18B20

4.3.2 Датчик за атмосферното налягане

Използван е датчик за налягане от 15 до 115 кРа (2,2 до 16,7 psi), от 0,2 до 4.8 волта изходно напрежение, MPX4115A, силициев тип, интегриран в корпус с температурна компенсация и калибриран ( Фигура 5 ).

Фигура 5: Външен вид на датчика за налягане

Блокова схема на датчика е показана на Фигура 6.

Фигура 6: Блокова схема на датчика за налягане

Серията на MOTOROLA МРХ4115А/МРХА4115А са датчици интегрирани в двуполюсен корпус, с тънък слой резисторна мрежа за предаване на висок изходен сигнал и температурна компенсация.

Серията МРХ4115A/МРХА4115А са силициеви датчици с монолитен корпус. Тези устройства комбинират напреднали микромашини технологии, изградени от полупроводникови материали, те осигуряват точност, високо ниво на аналоговия изходен сигнал, който е пропорционален на приложеното налягане.Характеристики

- 1.5% максимална грешка при температура от 0 до 85˚C- напълно подходящ за системи базирани на микропроцесори или

микроконтролери- температурна компенсация от -40˚ до +125˚С- дълготрайност на чувствителния елемент и на термопластичната

повърхност

Фигура 7: Калибрираща характеристика

Номер на изводите (пиновете)

1 Vout 4 N/C2 GND 5 N/C

3 Vs 6 N/C

Забележка: Внимание ! Изводи 4,5 и 6 са свързани вътре в устройството. Да не се свързват към външни вериги или земя. Извод 1 е белязан с издатина на крачето.

Номинални параметри

параметър означение

стойност дименсия

максимално налягане

Pmax 400 kPa

температура на съхранение

Tstg -40˚ до +125˚

˚C

работна температура

Ta -40˚ до +125˚

˚C

РАБОТНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ (Vs=5.1 Vdc, Ta=25˚C)характеристика означение минимална номинална максимална дименсияобхват Pop 15 – 115 kPaзахранващо напрежение1 Vs 4.85 5.1 5.35 Vdcконсумиран ток Io – 7.0 10 mAdcминимлно изменение2 Voff 0.135 0.204 0.273 Vdcмаксимално изх. н-е3 Vfso 4.725 4.794 4.863 Vdcточност4 – – – +/-1.5% %Vssчувствителност V/P – 45.9 – mV/kPaвреме за реакция5 tR – 1.0 – msвреме за отреагиране6 – – 20 – msизходен ток I0+ – 0.1 – mAdc

механични характеристикиХарактеристи4ки

средно дименсия

тегло на основния елемент

4.0 грама

тегло на чувств. елемент

1.5 грама

4.3 Датчик за относителната влажност

Фигура 8. Външен вид на датчика

- Датчикът за влажност тип ТИП HU10, показан на Фигура 10 съдържа сравняваща влажността и предавателна част.

- Описание:- Изработен от полимер с директно предаване на данни.- Характеристики:- готово за употреба устройство,- действие до 100% RH,- притежава температурна компенсация,- много дълъг срок на сигурна експлоатация,- лесна инсталация,- ефективно изпълнение,- специално за следене на влажност, контролиране на влажност,

овлажнители и устройства за изсушаване различни среди.

ИНФОРМАЦИЯ:

чувствителен елемент HS12Pработно напрежение 5+/-0.2Vработна температура 0 – 50˚Сработен обхват 10 – 100%RHтемпература на съхранение -40 – +85˚Смакс. консумация на ток 2maAизходно напрежение 1.0 – 3.0Vточност на показанията 25 – 90% RH при 25˚C <+/-5%RH при другу обхвати <+/-10%RHзависимост 5 – 45˚С/3080% RH <+/-5%RHнормално време за реакция 5 минути

ДОПЪЛНЕНИЕ:HU1015NA : водоустойчиво устройство

Фигура 9: Изходна характеристика

Фигура 10: Измервателен кръг

ВНИМАНИЕ:Използвайте само елементи с типичните стойности и мощности.Не разглобявайте или променяйте никоя част.

5. Приложен софтуер

Представяне на програмния продукт необходим за работа на микропроцесорната система

Multichannel - 32 битово приложение за трансфер на данни

5.1 Предназначение. Приложението служи за приемане на данни чрез COM портовете на персонален компютър - COM1 и COM2.

В зависимост от броя на каналите, Multichannel приема по серийния интерфейс цифрови сигнали през определен период от време и ги съхранява върху твърдия диск на компютъра.

5.2 Изисквания към системата. Multichannel e тествано и работи под WINDOWS 98 и WINDOWS XP. Минималните изисквания към персоналния компютър са : Pentium 166 MHz и 32 Mb RAM.

5.3 Инсталация. Multichannels не се инсталира, а е необходимо само да се копира файл Multichannel.exe в произволна директория на твърдия диск. Стартира се Multichannel.exe и всички други настройки се извършват в приложението.

5.4 Ограничения. Multichannel може да работи с два COM порта - COM1 и COM2, тъй като съвременните персонални компютри имат обикновено по два серийни порта. Максималната скорост за трансфер на данни е ограничена на 1 sek между две показания, поради специфичното предназначение на приложението - регистрация на данни, използвани в метеорологията. В световната практика обикновено такива данни се регистрират на всеки 5 минути.

ИНТЕРФЕЙС на Multichannel

фиг.11. Стартов прозорец на програмата

При стартиране се появява основния прозорец (фиг.11), след което се кликва върху бутона с надпис О.К. , а след това върху бутона старт за се стартира следенето от програмата на датчиците (фиг.12).

фиг.12. Работен екран

Настройка на програмата от потребителя

Избор на COM порт. По подразбиране е COM1, но ако той е зает от друго устройство, измервателната апаратура може да се включи чрез 9-пиновия конектор към свободния COM2 порт. Изборът на COM порт става чрез алтернативно натискане на стрелките с левия бутон на мишката. В дясната част на COM Port панела има надпис COM1 или COM2 и червен светлинен сигнал, активиращ се при стартиране.

Настройки на софтуера. В този панел могат да се настройват параметрите, свързани с времето за регистриране на показанията и параметрите за запис на данните.

o Задаване на време за регистриране на две последователни показания. Може да се задава периода между две показания в секунди ( по подразбиране е 1 сек ). Ако показанията трябва да се регистрират през друг период от време, например 1 min е необходимо да се зададе в полето за редактиране стойност 60 ( sek ). За период от 5 min се задава 300 ( sek ) и т.н..

o Избор на време за регистрация на показанията. Извършва се чрез промяна на полетата Часа / Минути / Секунди. По подразбиране часовете и минутите са 0, а секундите 1000, което отговаря на максималния брой допустими показания - 1000 за интервал от 1 sek. При промяна на полето за редактиране на часовете се нулират полетата на минутите и секундите, а ако се промени полето на минутите се нулира полето на секундите. При направена заявка за период на показанията и общо време, водещи

до надвишаване на допустимия брой показания се появява информационен прозорец с предупреждение за ограничението.

o Настройка на параметри. След натискане на този бутон се отваря прозорец, в който може да въведе следната информация :

- наименование на съответния канал;- формат за регистрация на данните, XXX - е общият брой позиции, а

YYY е брой позиции след десетичната точка, min и max са минималната и максимална стойност на регистрирания от този канал параметър, които ще излизат на дисплей. Например, ако е необходимо да се следи температура в канал 1, настройката на параметрите може да е както следва :

No. Наименование XXX YYY min max 1 Температура, oC 4 1 -20 70

Това означава, че температурата ще се записва във формат ***.*, т.е. с точност до десети от градуса. На дисплей ще излизат стойности за температурата от -20 до +70 oC.

В дясната част от таблицата за настройка се намира панел за избор на каналите, които ще се записват на твърдия диск на компютъра в протоколен файл. По подразбиране се записват всички канали..

След настройка на изброените параметри се натиска бутона O.K. за потвърждаване.

Избор на протоколен файл за регистрацията на данните. Извършва се чрез клавиша Файл. Отваря се диалогов прозорец, от който се избира или въвежда името на файла с формат *.TXT, където ще се записват данните.

o Полином. Тази опция позволява да се обработват данните така, че да се визуализират с реалните си стойности. След аналогоцифровото преобразуване те се записват в целочислен вид,

който не дава представа за истинската им стойност. Изборът на тази опция дава възможност за всеки канал да се въведат коефициентите на полином до девета степен, чрез който тези данни се преобразуват в реални стойности. Ако за канал 1 например се въведат всички коефициенти нула с изключение на втория, на дисплей се извеждат целочислените показания от аналогоцифровото преобразуване за канала :

Канал 1 = a1 + a2.x + a3.x^2 + a4.x^3 + ... + a10.x^9, a1 = a3 = .. .= a9 = 0, a2 = 1, т.е.Kanal 1 = x, където x е полученото от прибора показание на Канал 1.

Редактор. Чрез тази опция се стартира текстов редактор, в който се зарежда файла със съхранените на магнитния носител регистрирани данни (фиг.13)

фиг.13

o Изход. Излизане от приложението.

Корекция на таймера. Тази опция може да се използва за корекция на таймера за регистрация на показанията. По подразбиране настройката на

таймера е 1 sek, което отговаря на 1000 ms. По желание може да се извърши корекция в границите +/- 10 ms.

o Help. Извеждане на помощна информация за програмата.

След натискане на бутона O.K. от панела за настройка, в панела Старт / Стоп показания се появява бутон START, чрез който се дава начало на регистрацията на данни и работният прозорец се увеличава. Появява се бутон STOP. С него може да се спре регистрацията преди крайното време без да се загубят показанията направени до момента на спиране.

o Графичен дисплей.

Визуализира се моментното състояние на всеки канал, началното, крайно и текущо време, както и графичната зависимост показание/време за първи канал след натискане на START. Ако е необходимо следенето на друг канал, това става с натискане на левия бутон на мишката в таблицата в лявата част на работния прозорец за избрания канал. След завършване процеса на запис на данните, съдържанието на всеки канал може да се прегледа освен в текстовия редактор, така и на графичен дисплей, който се стартира със самостоятелен бутон. Графичният дисплей е с възможности за увеличаване ( "лупа" ) с ляв бутон и движение по данните с десен бутон на мишката.

6. Задачи за изпълнениеo Запознаване с основните параметри на слънчевата и ветровата

енергияo Запознаване със структурната и електрическа схема на системата за

измерване на параметрите на слънчева енергия, ветрова енергия и околна среда

o Запознаване с алгоритъма за експериментално изследване на параметрите

o Експериментално определяне на слънчевата радиация, скоростта и посоката на вятъра, температура, и относителна влажност и атмосферно налягане на околната среда. (по указания).

Определяне на пълната слънчева радиация при различно пространствено разположение на слънчевата клетка и за различни интервали от време

Симулация на слънчево лъчение в лабораторни условия, от източник със спектър близък до този на слънчевата енергия, като е предвидена възможност за регулиране на мощността на източника

Определяне на посоката и скоростта на вятъра на различна височина спрямо земната повърхност. В лабораторни условия за симулиране на параметрите на ветровата енергия може да се използва аеродинамичен канал.

6.1 Указания за изпълнение на задачитеПосочените в задачи се изпълняват в следната последователност:

o основите параметри са посочени в теоретичната част o схемите са дадени в глава Х точка Хo подготовка на системата за измерване

пълно обяснение по програмата

6.2 Експериментални резултатиРезултатите от извършените измервания могат да се представят в

графичен или табличен вид, според необходимостта за по нататъшното им използване или преобразуване.

7. Анализ на резултатитеНа базата на получените резултати да се направи анализ и оценка на

ветровата и слънчевата енергия, на енергийния потенциал на дадена географска област. Използвайки получените данни да се направят препоръки за нови по-добри конструктивни решения за максимално използване на енергийния потенциал.

8. Контролни въпроси

- Да се посочат основните параметри на слънчевата енергия;- Да се изброят основните параметри на вятърната енергия;- По какъв начин се измерват параметрите на слънчевата енергия?- Уреди за измерване параметрите на вятърната енергия;- Какво би се случило при промяна на вида и типа на датчиците за

определяне на параметрите на вятърната или слънчевата енергия?- Къде би могла да намери приложение такава система?- Какви други параметри биха могли да се изчислят използвайки данните

получени от системата?