第七章 電力控制
電力控制是風能與有用的電能之間的另一個重要環節。和機械控制系統一樣，保持最佳可靠度的方法就是將將電力控制做的儘可能的精簡。
電力和電子設備和零組件必需固定在基板或是配電箱內。如果您將電力及電子設備懸掛在電池後面或是把長長的纜線放在風車下的草地上，它們早晚都會招致锈蝕。所有的電纜要有好的支撐，電纜線端要固定和連接妥當，以避免在纜線晃動。主配電箱要裝設在屋內的密閉箱子內絶對避免粗心大意的手去亂摸。
電力控制系統提供兩個不同的控制目的：
控制風車在最適風速的發電負載及由風車轉子翼片中截取最大風能。
控制通過電池的電流，防止電池損害以及將供電電壓維持在安全範圍內。
此二項控制目的不同，但是所使用的電路郤是類似的。
負載控制：最佳表現的關鍵
風車轉子截取風能的最佳運轉條件取決於尖端速度比。在風車轉子的啟動階段，風車轉子的尖端速度比的比值比最適尖端速度比值低，因此發電機的負載在低速運轉時很低。也因此，風車轉子可以持續的加速到失速狀態前達到風車轉子達到最佳轉速。
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電池充電系統
發電機對電池充電很簡單，不需要任何的控制。因為發電機的輸出電壓要高過充電電壓，所以幾乎沒有任何能將發電機減速的發電機輸出電流。在此時刻，發電機達到切入速度，風車轉子在夠高的尖端速度比值下運轉而輸出需要的電能。
加熱系統
當您要將風車發電機產生的電能直接饋電至電器負載上(例：電熱器)時，您還是需要一些電力控制設備。如果您只是很簡單的把發電機和電熱器連在一起，您的電路”粉精簡”，但是一旦電路內產生電流的時候，電熱器同時開始產生一個阻力將風車轉子拖住而減速。
基本上，電力控制系統裝設的目的是讓風車能夠順暢的啟動並開始轉動發電，然後一直加速運轉到設計時設定的尖端速度比。如果您直接把電熱器接上發電機，風車轉子會因為負載的關係，轉速馬上降低，因此控制器要立刻再一次的切掉發電機與電熱器間的接線防止風車轉子失速而停止轉動。實際上，加熱用的風車系統的開關必需能夠快速的啟動和關閉以保持風車轉子最佳輸出及負載狀況。
最簡陋的一種控制器的作用方式是利用繼電器(relay)或是接觸器(contacter)簡單的開關動作將電熱器負載全開。風車達人Hugh Piggott稱這個控制方式為”crash bang controller”，碰撞控制器????這是最簡單的而且是最便宜的一種控制開關也是最粗糙的一種。
另外有幾種控制方法。第一種方法是使用較好一點的電子開關取代電子-機械式的開關控制輸出至電熱器的電源。半導體元件做成的開關計沒有會動的零件(動件)，可靠度相當的高而且還算便宜。
比較好的方式是隨著風車轉子的轉動速度而逐步加大負載，要不全開、要不沒有(all or nothing)的控制方式是比較差勁的控制技術。基本上，有兩種逐步加大負載的方式。第一種是利用單相交流電的相變化的相控制法(phase control)，另一種則是”同步開/關”(pulse width modulation)法。上述的兩種方法都是利用感應發電機因不同轉速或是頻率而產生的電壓變化型的控制器，當風車轉子轉速升高的時，同時增加負載。這種控制器可使風車翼片的負載達最適狀態。
圖7.1、相控制的電流變化圖及三種原理相同的燈光亮度控制器
圖7.2、脈衝寬度調變的原理及元件電路圖
相控制法
相控制法使用的電子元件名稱是”三端雙向可控矽開關元件(TRIACs)”，它通常用在交流電的相控制。當三端雙向可控矽開關元件被打開後它不會馬上關掉，它必需等到電流停止或是反相後才會關閉(圖7.1)。利用三端雙向可控矽開關元件的每一脈衝間的延遲啟動特性進而而控制電路中的電流量。講半天，三端雙向可控矽開關元件好像很神的樣子，其實它的工作原理和您家裏用的燈光亮度控制器(Dimmer Switch)(圖7.1)是一樣的，只是工作電壓不一樣而已。
圖、不同種類的三端雙向可控矽開關元件(TRIACs)
脈衝寬度調變(Pulse width modulation)法
另一種更普遍的加熱控制器是將發電機產生的交流電利用電晶體轉變成直流電，並利用電晶體將直流電切換成非常快速的脈衝(圖7.2)。
圖、MOSFET及IGBT型電晶體
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金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)及閘極絕緣雙接面電晶體( IGBTs)都是不錯的交流電轉成直流電脈衝開關，但是電晶體就沒有三端雙向可控矽開關元件(TRIACs)那麼耐操。電晶體嘛，用的時間越久，就越容易燒掉。請注意設計脈衝寬度調變控制器是電子專家的工作，自己不要亂搞。
脈衝寬度調變後的頻率高達5,000 Hz，5,000 Hz的聲音聽起來有點像是橫笛的聲音。最後傳送至電熱器的電能大小取決於調控後的脈衝長度。
圖7.3、依據風速調整的多重負載控制系統
階段負載控制法(stepped load control)
上述的兩種控制方法又稱為等比例控制法，它們的控制效能相當平穩，但是設計這種電路有一定的難度，而且這種電路會干擾無線電通訊。對一個業餘電子愛好者而言，利用數支較小功率的電熱器隨著發電機輸出功率加大，同時一支接著一支啟動電熱器的方法是比較簡單的選擇(圖7.3)。這種控制和碰撞控制法(crash bang control)類似，都是很簡單的方法。這種做法的優點是只要電熱器夠多加熱效能會相當的好。而隨發電機輸出增加而逐步增加的負載也不會對風車翼片造成太大的衝擊。
說來說去使用相控制法的三端雙向可控矽開關元件(TRIACs)會是比較好的選擇，堅固、耐用、沒有噪音、又便宜。在相控制系統中，三端雙向可控矽開關元件(TRIACs)也不需要進行半循環(mid-cycle)。實際上，三端雙向可控矽開關元件(TRIACs)可以透過電壓正負變化通過0伏特電壓點的"零交叉(zero crossing)”電路做開關動作。這種裝置可以避免產生無線電波的干擾。另外一種更好的開關(貴一些)是固態繼電器(solid state relay，SSR)，它把電晶體和它的驅動電路整合在一起成為一個單元元件。
圖、固態繼電器及一般應用的電路
電熱器的電線要插在控制板上並連接妥當。先決定您要加熱的房間或是熱水器的次序，然後依次序將電熱器的電線接在控制板上。低優先次序的單位只有在風速很強的時候才工作。或是在每個電熱器上分別裝上小型控制器，每個控制器依照發電機產生的電壓高低而設定啟動時機。在台灣您大概只會把電熱器裝在儲熱型熱水器的水箱吧。以台灣的天氣而言，除非您住山上否則一般房間是不太需要電暖器之類的取暖設備。
電熱器類負載的種類
理想一點的加熱型風車，它的電壓輸出最好是230伏特的交流電或是類似的條件，因為這樣子那些控制器和電熱器的電子零件才有現貨可以買。風車輸出的電壓很少有很穩定的，因此比230伏特低一些是比較好的，這樣子比較不會把電熱器給搞燒掉。一般的電熱器可以在較低的電壓條件下很安全的工作，只是它的熱效率比較低。因為熱效率與電壓的平方成正比相關，即電壓為原來正常的電壓的一半時，電熱器所產生的熱能只有原電壓的1/4。
風車和對流式電暖器(convector heater)和蓄熱型電暖器(storage heater)的搭配表現良好。如果輻射熱型電暖器是類似輻射圓盤形構造時則會因為高顏直流脈衝的供電方式而產生噪音。風扇型電暖器因為過低的電壓、電流連續不斷的開和關動作和脈衝式動作的問題就一點都不好用啦!
圖、不同種類的電熱器
當您所使用的發電機是三相式交流發電機(通常是這種的)，您最好把三相分開來分別接上三個電熱器。這麼做有個問題就是交流發電機中的單相中的電流會比其它二相的高，這個問題則會造成交流發電機內部不平衡而產生振動和噪音。這個不平衡問題可以用三端雙向可控矽開關(TRIACs)將交流電轉變成直流電而將之消除。加熱部件方面則在直流電下工作較交流電條件下佳。另外還有兩件事需要特別注意：
被直流電電到的危險性高於交流電。
自動調溫器是吃交流電的，接到直流電是會燒掉的。(恆溫器可以拆開來把感應線路分開。
圖、三種巿面上常見的恆溫控制器
圖、可當電熱器使用的高功率電阻
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如果您的發電機發出來的電不是標準電壓而且願意多花一點錢，那麼建議您到電子材料行買一個高功率電阻，自己做一個電熱器。現在巿面上有300W的電阻。鋁被覆或是水冷式的高功率電阻很適合拿來做低瓦特數的熱水器。只要把電線接好防水做好，然後把電阻固定在儲熱水桶桶壁上就可以了。最後一道工作是管線配置都要接地以及任何的可以活動的開關和接頭都要放在配電箱內，而且要關好。
直接供應交流電
因為風忽大忽小一點都不穩定，所以很少風力發電系統會採用直接供應交流電的設計，但是這並不表示辦不到。為了確保穩定可靠的電力供應，要採用相對用戶負載需求高些的大風車。風車轉速則必需能夠手動或是電子自動控制。您可以使用離心力回推方式控制轉速，但是比較常用的方式是用電熱器當煞剎車的方式控制轉速。這種方式的好處是剎車產生的熱能是風力發電的”副產品”。
欲使用直接供電的風力交流電供電系統需要確定整個電力系統的額定電壓及頻率。所謂穩定電力控制品質的好壞是取決於您所使用的電器及您的電力負載種類而定。例如：電燈就需要穩定的電壓和電流才稱的上可靠和可以接受。因此，如果風力發電系統要直接供應照明設備使用時，您就必需要使用自動電壓調整器(穩壓機)精確的調整供電電壓。自動電壓調整的方式優於階段式電壓控制方式，因為階段式電壓控制方式會造成照明設備閃閃爍爍、忽明忽暗非常傷眼睛。
圖、穩壓器主要元件(左)及組裝成型的外觀
像是電鑽、電鋸、食物調理機、真空吸塵器等等的電動設備在一定範圍內的電壓及頻率變化是沒有很大的關係的。例如：您可以在150伏特的電壓下安全的使用電鑽或用打磨機打磨金屬。為了要直接使用交流電，風速不足的微風和延風條件下的風，您只能放棄不用。這是沒辦法的事啦!
使用變壓器變電
改變供電電壓的最常用方式是使用變壓器。請注意變壓器是用在將交流電變成直流電的設備，不是用在直流電。如果您在低於額定頻率下使用變壓器會產生問題，除非頻率變低時電壓也跟著變低。變壓器的這個特性剛剛好非常適合風力發電機的不固定轉速及其隨轉速變化而升降的電壓。
如果您的發電機和電池之間的距離很長，您需要粗電纜或是採高電壓供電。有了變壓器，您可以使用230伏特的發電機直接對12伏特的電池充電。因為變壓器在低電壓時會產生阻抗使得電路裏會有電流一直在流動，這個現象產生一個問題就是風車轉子有阻抗比較難以啟動，因此您需要一個在低電壓時將發電機與電池間連線斷開的裝置。
為什麼不採用低電壓的交流發電機呢，因為高電壓發電機需要買變壓器，而變壓器的價格可比電纜貴很多。採用高電壓壓供電有下列的數項好處：
當電池充飽時，您可以直接將多餘的電能以和巿電相同的電壓直接饋電給一般的電熱器，不需要特殊的電熱器。
您可以直接用風力機發出的高電壓驅動常規的電器或電動工具。例如：電鑽、攪拌器、料理機等等，不需要再變電。
利用可調式變壓器您可以配合風速調整出發電機的最大電力輸出值。這樣子在較高轉速時可以產生較多的電能而銅損失不會增加。
哪一種電池最好
電池可不是什麼便宜貨，很不幸的電能儲存量又受限於電池的大小。當電池充飽時，您一定要以手動或自動方式將電能導向新的管道將電能消耗或是利用掉。不然的話，電池過度充電一定會死給您看。
使用電池需要多花一點心思在上面。就像那些依賴您的東西，您對它們好些，它們對您的回饋也會可愛些。所謂好的電池是指不管您用什麼電流充電，電池都是以14伏特(鉛酸電池是12伏特)持續、穩定和慢慢的充電。
電池管理兩條鐵律
放電不要放過頭，不要讓電池電壓過低。
充電不要充過頭，不要讓電池電壓過高。
即然選擇風力發電，那麼您就必需配合風改變用電習慣。例如：在多風的日子儘量找事做，沒風的日子要注意電能的儲量。這樣子才能保護電池和接受風力發電的日子。但是這是不可能的事情，哪有人為了風車改變過日子方式的，您說是吧!因為這樣所以您需要一個自動控制系統控制備源系統使用。
以下將以12伏特的電力系統做說明，如果您的系統是24伏特的，您就必需自己換算。例如：充電電壓是14伏特。24伏特系統的充電電壓就是24*2=28伏特。
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這個簡單的計算方式用在鉛酸電池大致上沒什麼問題，但是電池電壓受到電池的種類和工作條件影響也受到負載電流或是工作溫度的影響。如果您買到的是使用固態電極的膠態電池(dry-fit，gel-type battery)，可是要儘量避免電壓太高。SO，買電池時一定要看清楚規格。
圖、外觀難以判別的膠態電池，使用及購買前請詳閱規格
防止電壓過低
最常造成電池損壞的原因是風車沒有風而停止運轉，導致電池能源補充不足，消耗過度而損耗。電池會因為過度放電而導致電壓過低而損壞。電壓是一個簡單而容易的電池電量監測指標。12伏特的電池低於11.5伏特以下，除非會立刻充電否則請勿再放電。
防止過度放電的方法如下：
經常注意電池電壓的變化，自己管理電力系統。
使用低電壓警報器。
電壓過低斷電裝置，這種裝置會自動切斷電視和其它主要電器負載。不需要關掉所有的照明或是在沒有告警的情況下突然關掉電腦而導致電腦損壞。
快速的電壓過低電源切換裝置操作系統，在電源切換到主電源時電壓會突然稍微的升高。為了避免電壓在高低電壓之間致使電源切換開關跳來跳去造成電器及切換裝置損害及供電力不穩問題，自動電源切換開關一般都會在電路切入電壓及斷開電壓之間設定一個延緩區間避免過度的電源切換。囟為所有的電源切換開關都做了高低電壓區間，所以您不需要做任何事。這個設定只表示電池電壓過低被自動切斷裝置斷開不會在電池充了一些電後電壓回復供電電壓後立即切換成電池供電，自動切換裝置的設定是一個滯後作用。例如：您可以設定當電池電壓超過12.5伏特後，供電斷開開始對電池進行充電。為了充電把一些次要的電器負載關掉，設置一個手動的重置開關做這碼子事是一個還算不錯的做法。還有一招是買或自己做一個電池過度放電保護器(充電控制器)吧。
圖、充電保護器的電路圖、充電結果、外觀及內部構造圖
請注意，當您把電源切換到巿電時。千萬不要也把電池的接線給切斷，郤又讓電器負載和風車相連。風車發電機在沒有電池負載情況下發電，發電機會蓄積電能而產生危險的高壓電。這個無負載高壓電接上電器負載會兩下子就把您的電器給搞壞掉。
讓人感到迷惑的繼電器(relay)
使用繼電器當做控制電源的切換開關是是一個另人這樣做怪怪的，那樣做也不太對的兩難處境。如果繼電器是利用電壓過低時的電力讓繼電器動作(正常關閉，normally closed)，那麼繼電器會使得已經放電放到快沒力的電池輸出電能，讓電池死的更快。如果繼電器是在正常供電電壓時進行斷開動作(正常開，normally open)，那麼繼電器就無時無刻不在浪費和消耗電能。很奇怪吧!!!不用緊張!!這個問題只發生在很小的風車發電系統上才會產生這個問題，因為繼電器耗電大概只有1瓦特而已。
圖、繼電器實體、動作原理及使用時的電路配置方式圖
充電電壓控制器(charging voltage controller)
通常如果充電的電流大於標示於電池上的安培小時容量(amp-hour capacity)數值的1/10，您就需要一個充電控制器。充電控制器有好幾種，以下介紹兩種比較常用的充電器。
浮動電壓充電器
如前面內容所提，用14伏特充電時，電池比較喜歡浮動電壓方式對它充電。因為低電壓時，電流量會較大比較快充到14伏特。但是，一般的風速大概都沒辦法讓發電機產生足夠的電能以滿足低電壓時大電流時充電所需。當電池充電充到快飽和時，只需要小小的電流量就可以達到目標電壓以及一點點的電流維時滿充。
汽車裏的充電控制器的作用是交流發電機產生超過14伏特的電壓和電流時，限制它對電池充電的一種保護置。在風力發電系統中，為了風車發電電壓過高的限制方法，使用讓充電控制器相對較汽車容易感測到電壓過高而將電能轉變成熱能的方法較好，而不是採用從源頭中斷電壓輸出的方法。因為從源頭中斷電壓輸出的方法會造成風車轉子超速。
均壓充電法(equalizing charge)
如果充電電壓高到15伏特，電池會劇烈的冒泡和發熱，這種狀態持續過久電池就會完蛋。尤其是膠狀電池，這樣搞電池比死無疑。唯一使用這種充電方式的時機是電池過度放電後的充電，做這種充電要時注意留心電池的變化。這種充電方式稱為均壓充電法，均壓充電法的好處是可以確保電池的所有細胞間室(cell)都有充飽。
注意電器負載
高壓電會縮短電哭的壽命。鹵素燈泡、電視機等等電器都不便宜，禁不起您三不五時用高壓電電它們。因此，您的風力發電系統需要裝設一個電壓過高的自動控制器以保護您接在電路上的電器。
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並聯穩壓器(又稱為分路穩壓器，shunt regulator)的一般應用性排列方式
電池電壓控制器和電熱器使用的電子控制很類似。為了避免電池因為充太電而使電池電壓過高，您需要將過多的電能輸出至電熱器將電源消耗掉，此動作稱為”備用負載(dump load)或是配比負載(ballast load)。這種調節負載的控制器的名稱是分路穩壓器，它的作用是將電流傳送至併聯或是分流的電路中。
圖、分路穩壓器面板、電路圖、實體及電壓變化圖
您可以在分路穩壓器電路中使用繼電器或是半導體製造的控制器控制電熱器。同樣的，碰撞法(crash bang)也不是很理想。好幾個小型電熱器的效果比一個大型電熱器好很多。分路穩壓器的開與關的電壓也是設定在一個高低範圍內讓電池的動作延後防止開關動作過於頻繁。例如：您可以設定分路穩壓器在14.5伏特時啟動電熱器，在13.5伏特時關閉電熱器，讓兩個電壓之間有數秒的延遲時間。這類控制可以是模組化的產品也可以是單元型的產品。您的電力系統擴充時，您只要多增加分路穩壓器連接電器和電熱器就可以了。
您也可以從上游的整流器位置就設置”備用負載”控制器。在這個位置做備用負載有下列數項好處：
交流電容易開或關。例如使用三端雙向可控矽開關(TRIACs)(三相電發電機要用兩個)。三端雙向可控矽開關比電晶體耐操。
如果分路穩壓器是直接接在電池上，不小心分路穩壓器壞掉了，會發生電池電能流光光的危險。但是接在上游位置就不會發生電池倒流的問題。
備用負載時，電池不會發生"循環"工作。如果進行備用負載時而致使電能從電池輸出，是會縮短電池壽命的。
這可能是或可能不是一項優點，當控制器如果發生故障時，取決於使用的備份電能，風車會慢慢的停下來或是失速。
圖7.4、兩台風車並聯的電力系統全配置參考圖
透過壓電逆變器(俗稱稱變壓器，inverter)將電能輸出至巿電系統
如果電力系統中有一個強壯的壓電逆變器(inverter)，然後您可以啟動巿電的電熱器。使用小一點的繼電器或是半導體元件就可以很簡單的將電源切換到巿電而啟動巿電電熱器。
這麼做有個問題就是照明燈具會發生閃爍和忽明忽暗的現象。如果因為壓電逆變器負載過高、關機、故障死機或是電熱器上有恆溫控制器，”備用負載”就無法進行。此時您需要另一個備用負載控制器隨伺在旁以便接替失效的壓電逆變器，以防止電路累積電能變成高壓電。如果您辦的到，備用負載最好是接到低壓浸沒式電熱器(電湯匙，immersion heater )上的效果比接在電池用電熱器強多了。
圖、低壓浸没式電熱器(就是電湯匙啦!!)
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