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系統識別號 U0002-0308201613030900
中文論文名稱 基於複合式電力系統之遠程風速儀
英文論文名稱 A Remote Anemometer Based on Hybrid Power Systems
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 謝易霖
研究生英文姓名 Yi-Lin Hsieh
學號 603440248
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2016-06-24
論文頁數 48頁
口試委員 指導教授-楊淳良
委員-李三良
委員-李揚漢
委員-楊淳良
中文關鍵字 風速儀  複合式電力系統  半導體雷射  綠源  微型風力發電機 
英文關鍵字 anemometer  hybrid power system  laser diode  green energy  wind turbine 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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
參考文獻 [1] Y. Liu, W. Peng, X. Zhang, Y. Liang, Z. Gong, and M. Han, “Fiber-optic anemometer based on distributed Bragg reflector fiber laser technology,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 25, No. 13, PP.1246-1249, Jul. 2013.
[2] X. Wang, X. Dong, Y. Zhou, K. Ni, J. Cheng, and Z. Chen, “Fiber optic anemometer based on metal-coated fiber Bragg grating,” Information, Communications and Signal Processing (ICICS) 2013 9th International Conference on, PP.1-2, Dec. 2013.
[3] L.-H. Cho, C. Lu, A. P. Zhang, and H.-Y. Tam, “ Fiber Bragg grating anemometer with reduced pump power-dependency,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 25, No. 24, PP. 2450-2453, Dec. 2013.
[4] G.-M. Ma, C.-R. Li, J. Jiang, J.-Y. Liang,Y.-T. Luo, and Y.-C. Cheng, “A passive optical fiber anemometer for wind speed measurement on high-voltage overhead transmission lines,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 61, No. 2, PP. 539-544, Feb. 2012.
[5] 盧延昌、王興宗,半導體雷射技術,五南圖書出版股份有限公司。
[6] COHERENT, “Optically Pumped Semiconductor Lasers”.
[7] 周宇若, 風力發電葉片與電風扇葉片的不同, 痞客邦, Dec. 19, 2009.
[8] 張守進、劉醇星、姬梁文, 科學發展月刊, 民91.01, 頁14-21。
[9] J. Hecht, Understanding Fiber Optics, Pearson Prentice Hall, 2006.
[10] Fiberstore_FSCOM, “Wavelength Selective Couplers and Splitters,” Feb. 13, 2015.
[11] 吳帛霖, 再生光源於光纖-無線寬頻分波多工被動光網路之研究, 碩士論文, 淡江大學, 台北(2011)。
[12] 張文煜,大氣探測學,蘭州大學出版社,1999。
[13] 羅可緯, 基於半導體雷射技術遠程風速儀之研究, 碩士論文, 淡江大學, 台北(2015)。
[14] 輔大物理系, “實驗(二) 雷射二極體(LD)與發光二極體(LED)的發光特性”.
[15] Phoenix Photonics, “Technical Brief #2 Depolarizers ”.
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