能量收集电路（精选八篇）
能量收集电路 篇1
环境中振 动能量收 集越来越 受到传感 器领域的 关注 。 随着生产 工艺的不 断提升 ,小型电子 元件的功 率不断降 低 ,使得诸如 无线传感 器节点等 低能耗设 备的自供 电成为可 能 。 目前 ,利用环境 中的振动 能量为这 些小型电 子设备供 电 ,替代或减 少外部电 源及充电 电池成为 了研究热 点 。 这些振动 能量来源 包括声波 振动 、机械振动 等 ,其中机械 振动能量 来源丰富 ,足以满足 应用需求 ,通过压电 式能量收 集器可以 方便地将 其转化为 电能 。 对压电能 量收集技 术的研究 主要分为 两个部分 ,即优化能 量收集器 结构和优 化存储产 生电荷的 能量收集 电路 。
压电能量 收集电路 一般由全 桥整流电 路和电容 及负载组 成 , 但由于电 信号的输 出过小 , 这些电路 都难以为 电子元件 或传感器 直接供电 。 SODANO等[1,2]研究了不 同的压电 能量收集 器以及利 用电容或 充电电池 进行能量 存储的方 法 。OTTMAN等[3]开发了一 种高效电 路 ,用于存储 电荷以及 为负载供 电 。 LEFEUVRE等以及BADEL等[4,5]开发了一 种新型功 率流优化 方法 , 用于提高 能量转换 效率 , 这种方法 基于 “ 电感式同 步开关收 集技术 ” ( SSHI ) , 虽然相比 于标准能 量收集电 路 , 这种方法 提高了能 量收集效 率 ,但多数需 要提供外 部电源使 微处理器 产生开关 信号 。
本文基于 悬臂梁式 压电双晶 能量收集 器 , 设计了由 三倍压电 路及低功 耗电源管 理芯片LTC3588-1组成的能 量收集电 路 , 研究了低 频振动下 电路输出 功率 , 并通过实 验验证了 其可为传 感器等低 能耗设备 供电 。
1压电能量收集器的结构及理论模型
1.1压电能量收集器的结构
压电能量 收集器通 常为单晶 或双晶压 电片及金 属弹性层构成的悬臂梁结构,压电元件工作在d31模式。 其一端固 定在基座 上 , 通过基座 振动产生 激励 , 压电层中 变化的应 变产生交 变电压经 压电晶体 片上的电 极输出 。
本文中压 电能量收 集器采用 电极并联 的压电双 晶组成,结构如图1所示。 上下两片矩形的压电晶体片粘合在金属 弹性层的 两侧构成 电能输出 的一极 ,上层压电 晶体片的 表面与下 层压电晶 体片的表 面相连构 成另一极 。
1.2压电能量收集器的理论模型
根据IEEE标准176(1978), 工作在d31模式的压 电元件的 压电方程 为 :
式中 ,S1为机械应 变 ,T1为机械应 力 ,D3为电位移 ,E3为电场强度 。 cE11为压电层 在恒电场 条件下的 弹性刚度 常数 ,d31为压电常 数 ,εT33为介电常 数 。
OTTMAN等[6]研究表明 , 压电能量 收集器的 电学等效 模型为一 个正弦电 流源ip( t ) 与内部寄 生电容Cp并联或电压源up( t ) 和电容C'p串联组成,如图2所示 。
2压电能量收集电路
能量收集 多采用标 准电荷捕 获电路 。 压电能量 收集器在 机械振动 作用下产 生的交流 电信号需 经桥式整 流 、 滤波和DC-DC电压变换 单元后 , 输出的电 能再由储 能元件储 存起来[7,8]。 传统的桥 式整流电 路 , 电路的压 降大 ,输出的电 压不稳定 ,且耗能多 。 为了收集 到尽可能 多的能量 ,本文使用 三倍压电 路 ,先将电压 升压 ,然后用以LTC3588 - 1芯片为核 心电源管 理电路整 流和稳压 。 系统框图 如图3所示 。
2.1三倍压电路
低频振动 时 , 压电能量 收集器产 生电压较 小 , 且电源管 理芯片工 作电压需 要大于2.7 V, 故本文设 计了如图4的三倍压 电路 ,将压电能 量收集器 产生的电 压进行升 压 。
电路工作 原理为 :在正弦电 压源的第 一个正半 周时C1被充电至U , 第一个负 半周时C2上的电压 被充电到 接近2U; 当第二个 正半周时 ,D1、D3导通 ,D2截止 ,C2上的电压 与电源串 联经D3对C3充电至3U。
在开始的 几个周期 内C3上电压并 不能真正 充至3U , 经过几个 周期之后C3上累积的 电压约为3U , 从而在负 载两端得 到近似于 三倍的电 压[9]。 本文电路 输入端采 用低频振 动时压电 能量收集 器等效输 出 ,电压峰值 为3 V , 振动频率 为3 Hz 。 其输出波 形如图5所示 。
2.2电源管理电路
美国凌力尔特公司推出新型电源管理芯片LTC3588-1, 以优化对 低压电源 的管理 。 LTC3588-1内部集成 一个低损 耗 、 全波桥式 整流器和 一个高效 率降压型 转换器 ,通过压电 能量收集 器收集环 境中的振 动能量 ,然后将这 种能量转 换成调节 好的的电 压输出 , 可以为微 控制器 、传感器 、数据转换 器和无线 传输组件 供电 。
LTC3588-1的输入电压为2.7 V~20 V , 可设定4种不同的 电压输出 :1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V。 LTC3588-1可对输入 的电压进 行整流并 通过外部 存储电容 器进行滤 波 、 存储 , 同时通过 内部并联 稳压器稳 压 、 限幅 。 LTC3588 - 1有11个引脚 , 当D1为高电平 、 D0为低电平 时 ,其输出电 压为3.3 V。 电源管理 电路如图6所示 。
2.3能量收集电路
整体能量收集电路如图7所示,压电能量收集器将机械能转化成电 能,通过三倍压后 ,电源管理电路对电 压进行稳压和存储,然后就可以给低功耗的电子器件供电[10,11]。
3实验测试与结果
本文采用 的压电材 料是PZT-5, 金属弹性 层的材料 是黄铜 #CW617N,压电能量 收集器实 物如图8所示 。 按压压电 能量收集 器时的机 械振动使 压电能量 收集器产 生电能 ,产生的电 压最大值 约为3 V,频率为3 Hz左右 , 图9是压电能 量收集器 产生的电 压波形 。 在测试中 ,用本文设 计的能量 收集电路 来收集压 电能量收 集器产生 的电能 ,电路输出 的电压约 为3.3 V,与电源管 理芯片理 论输出电 压基本一 致 ,其输出波 形如图10所示 。
图11是一个基 于触摸检 测IC (TTP223B) 的电容式 点动型触 摸开关模 块 。 常态下 ,模块输出 低电平 ,模式为低功耗模式。 当用手指触摸相应位置时,模块会输出高电平 ,模式切换 为快速模 式 ;当持续12 s没有触摸 时 ,模式又切 换为低功 耗模式 , 模块供电 电源可为DC 2 V~5.5 V , 其正常工 作的功率 范围是0 . 4 m W ~ 20 m W 。
测试电路 如图12所示 。 经过一段 时间的充 电后,电路输出的电压是3.3 V,用手指触摸传感器相应的位置时, 模块上的LED指示灯会 点亮 , 说明传感 器正常工 作 , 此时模块 输入端的 电流是1.38 m A,功率为4.55 m W。 若传感器 间断工作 ,则可以延 长传感器 的工作时 间 。
4结论
正能量早安语录精心收集 篇2
2、偶尔的自我陶醉一番，人不用活得那么严肃的。早安!
3、向日葵告诉我，只要面对着阳光努力向上，日子就会变得单纯而美好。早安!
4、大雨过后，彩虹深处，全世界的颜色都在我眼里，全世界的浪漫都在我手心，早安!加油!
5、熬夜，是因为没有勇气结束这一天;赖床，是因为没有勇气开始这一天。祝您早安!
6、在每天的清晨，我的祝福都会陪您慢慢醒来，慢慢实现，慢慢成功。祝您天天有个好心情!
7、悄悄的打开快乐的大门，欢迎您进来，甜蜜的爱情，充实的工作，美好的一天从这一刻开始!早安，朋友!
8、没有必要羡慕别人增添自己的烦恼，生活有苦有甜，才叫完整!早安，亲爱的朋友!
9、美好的一天开始了，每天给自己一个希望，试着不为明天而烦恼，不为昨天而叹息，只为今天更美好。早安，人们!
10、每个睡醒后的早晨当成一件礼物，把每个开心后的微笑当成一个习惯。短信祝您早上好，愿您微笑今天，快乐永远!
11、送您一条早安短信，不只是想跟您说句“早安”。而是以一种静默而充满爱意的方式告诉您：我一醒来就想您了!
12、过不去的过去是跟自己过不去，昂下包袱才能轻松前行。美好的名头在向我们招手，轻松的开始全新的一天吧，早安朋友!
13、睁开您的眼，我用温馨送您声早安;抬起您的头，我用快乐与您握个手;穿上您的衣，我用祝福伴您赢胜利;早晨快乐!
14、清晨的风，驱逐烦躁的心情;清晨的雾，阻挡忧伤的脚步;清晨的露，谱写快乐的音符;清晨的祝福，指引幸福的旅途。早安!
15、只要您的心是晴的，人生就没有雨天。就像好事情总是发生在那些微笑着的人身上。调整心情，保持微笑。早安!
16、晨曦的第一缕曙光照亮了您小窗，晨风的第一丝舒爽轻拂了您脸庞，我的祝福也如约来到您身旁，只为您带来美好祝愿。早上好!
17、事业前途未卜，努力还需无数，拙以勤劳弥补，执着成就建树，幸福就在前路，只需勇敢追逐，请您要义无反顾!早安!
18、早上醒来笑一笑，心情快乐精神好;活络胫骨扭扭腰，生活健康每一秒;事业芝麻开花节节高，好运连连天天妙!朋友，早安!
19、霞光万道，只为今朝绚烂;青草带露，娇脆欲滴美好;一声鸟鸣，新的一天拂晓。好的心情是快乐一天的开始，早安，我的朋友!
一种低功耗的微弱能量收集电路设计 篇3
随着社会工业化程度越来越高,对能源的需求也越来越多。但是,自然界的能量是遵守能量守恒定律的,工业所需的电能总是由其他形式的能量转化而来。而目前的发电厂仍然以消耗石油、煤、天然气的火力发电为主流。根据目前的消耗速度,数十年后,我们发电厂所需的石油、煤炭等能源必将耗尽[1]。针对未来可能出现的能源危机,微弱能量的收集也受到了很大的重视,成为研究热点[2,3]。目前人们能够收集的微弱能量主要有以下几种[4]:
(1)光能:从环境中的光照中获取能量,如太阳光。
(2)热能:由具有温度差的环境中或得能量,如体温。
(3)振动能:在振动的环境中获取能量,如引擎的振动。
(4)摩擦能:通过物体的相互摩擦而产生能量。
本文设计了一种低功耗的微弱能量收集电路。利用LTC3588-1电源管理芯片为核心的电压变换电路、LTC4071充电控制芯片为核心的充电控制电路、TPL5100定时器电路设计的微弱能量收集电路,将收集到的能量存储到锂电池或者提供给负载供电。在将能量收集器接入电路的情况下,验证了微弱能量收集电路的可行性,以及以MSP430F149和n RF24L01为负载,证明了所设计的电路可以将收集到的微弱能量用来给负载供电。
1 多种微弱能量收集方法
1.1 振动能量
环境中的振动能无处不在,且收集方便,目前对环境中振动能量的收集越来越受到人们的关注。通过压电材料制作成的振动能量收集器就可以收集环境中的振动能量[5]。近几年来基于压电效应发电的相关研究越来越多,最为著名的是由麻省理工学院研发的压电跑鞋,它是将一种压电材料的结构放在跑鞋的鞋底,通过人行走时脚跟的压力以及脚的弯曲产生的压力,通过压电材料将机械能转化成电能,穿上这种跑鞋人以0.8 Hz的频率行走时,最高可以产生3 V的电压,输出功率最大可以达1.3 m W,压电跑鞋的结构如图1所示。
1.2 太阳能
太阳能是目前人类使用最广泛的能量之一,由于科学技术的提高,太阳能已经逐步走进了我们的生活,例如太阳能热水器。太阳能利用的是太阳能电池板通过光照后输出电能,利用太阳能发电有很多优势,例如它在发电过程中无污染、无噪声[6]。而且随着各国研究者对太阳能电池的深入研究,太阳能电池板对太阳能的转换效率也会不断提高,生产成本则会不断降低,太阳能发电技术在未来将会成为一项具有广阔发展前景的发电技术。图2所示是某光伏发电厂的太阳能电池板。
1.3 温差能量
在自然界和人工装置中,温度梯度和热流无处不在,这为我们从环境中收集温差能量提供可能。通过热电能量转换,可以将环境中存在的温度梯度和热流转换为电能。温差为有效的能量转换提供了电势,而热流则提供了功率[7]。虽然从热能中提取的功率很低,但是对于无线传感器这样的特殊低功率器件,温差能量收集是切实可行的,并且随着这些应用所需的功率不断降低,温差能量收集将被广泛采用。图3是2014年Prijic A[8]等设计的温差能收集器实现了环境中温差能量的收集。
1.4 摩擦能量
2006年美国佐治亚理工学院的王中林教授设计了一种摩擦生电和静电感应相结合的摩擦型纳米发电机[9],这种发电机能够用来将物体间的摩擦能转化为电能。摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元,利用摩擦电效应,两个电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移,使得两种摩擦材料之间产生电势差,从而产生电能。如图4是Zhu Guang[10]等最近做成的旋转摩擦纳米发电机的结构图,通过转子的转动,带动定子转动,使得电极与转盘摩擦,然后产生电能,从而实现摩擦能量的收集。
2 微弱能量收集电路
传统的微弱能量收集电路主要包括桥式整流电路、电荷同步获取电路和电感同步开关电路,能量存储装置采用超级电容或充电电池。传统的能量收集电路,电路压降大,电路自身能耗过大,且输出电压不稳定,使得电路的收集效率很低。为了尽可能多地收集到更多的能量,本文使用LTC3588-1电源管理芯片为核心的电压变换电路来进行整流和稳压,利用LTC4071充电控制芯片为核心的充电控制电路,将收集到的富余能量进行存储,在能量收集不足的情况下,给负载备用供电,采用TPL5100定时器电路来定时输出电能,以达到节约电能,延长电池工作时间的目标。系统框图如图5所示。
2.1 电压变换电路
电压变换电路以LTC3588-1电源管理芯片为核心。LTC3588-1是美国凌力尔特公司推出的新型电源管理模块,以优化对低压电源的管理。LTC3588-1内部电路可以分为4个模块:输入端整流限压模块、滤波模块、DC-DC稳压模块。而且LTC3588-1的自身功耗极低,输出能力强,静态工作电流只有950 n A,输出电流最大可以达到100 m A。PZ1、PZ2的输入既可以是交流也可以是直流,使之可以满足更多的场合。同时,Vin端接地的稳压二极管使得转化后的电压控制在20 V以内,起保护电路的作用。电压变换电路如图6所示。
2.2 充电控制电路
充电控制电路以LTC4071充电控制芯片为核心,LTC4071能够实现从低电流、断续或连续电能对锂离子/锂聚合物电池充电。LTC4071提供了可通过ADJ引脚来选择3种不同的浮置电压功能,当引脚接地时,浮置电压为4.0 V;当引脚悬空时,浮置电压为4.1 V;当引脚接高电平时,浮置电压为4.2 V,该浮置电压的准确度达±1%。通过在NTC热敏电阻温度高于40℃时自动降低电池浮置电压,该器件的集成化电池热量查验器延长了电池的使用寿命并改善了可靠性。另外,LTC4071还提供了通过LBSEL引脚来选择电池低电量的断接电平和通过HBO引脚来指示电池高电量状态输出。充电控制电路如图7所示。
2.3 定时器电路
定时器电路的核心是TPL5000定时器芯片。TPL5000是德州仪器推出能显著降低系统待机功耗的可编程系统定时器。支持看门狗定时器且流耗仅30 n A。此外,它还可替代微控制器(MCU)的内部定时器,由于系统大多数时间都处于睡眠或断电模式下,但MCU内部定时器的功耗非常大。而TPL5000的流耗远远低于MCU定时器,可显著降低功耗,从而减少60%至80%的总功耗,延长这些系统的工作时间。
TPL5000可编程定时器通过DO、D1、D3引脚来选择定时器的延迟时间,可选定时延迟在1~64 s之间。当PDOOG引脚为高电平时,定时器开始计时,定时时间到后,WAKE引脚输出持续时间为15 ms左右的高电平,高电平的值约等于VCC的值。因此,它能为测量数据变动缓慢的无线传感器节点间断供电,可进一步延长传感器等众多应用的电池使用寿命。定时器电路如图8所示。
3 实验测试与结果
由于环境中振动无处不在,而且便于收集,因此本文使用的微弱能量收集器是压电能量收集器。压电能量收集器是利用压电效应,将机械振动能量转换为电能。悬臂梁式能量收集器结构是最常见的振动能量收集器结构[11],图9所示为一典型的压电双晶悬臂梁式的能量收集器,悬臂梁中间是金属层,在金属层的上下表面都贴有压电陶瓷作为压电层。一端固定于基座中,另一端为自由端,自由端上附有一个质量块。基座置于环境中,当它受到振动源作用上下振动时,梁的自由端在惯性作用下也将上下运动,悬臂梁将发生弯曲变形,上下表面的压电陶瓷一个受拉,一个受压,压电陶瓷中产生横向应力,将在压电层上产生电荷,从而将机械的振动转换为电能。
测试中,用激振器来产生振动,来激励压电能量收集器,用于实验压电双晶片的中间层长度为70.25 mm,宽为53.09 mm,厚度为0.2 mm;压电层长度为50.33 mm,宽为50.33 mm,厚度为0.2 mm。然后将能量收集器接入到微弱能量收集电路中,以MSP430F149和n RF24L01为负载组合成无线传感器网络节点,进行无线传输的实际测试。测试电路的原理图如图10所示。
实验中,电压变换电路将能量收集器产生的电压进行变换,输出稳定直流电压给负载供电,如果能量收集器产生的电能多,则可以给负载供电的同时,给电池充电,如果收集的能量不够,则可以由电池来反向供电。如图11所示,定时器选择的定时间隔是1 s,每隔一秒,TCAL端产生一个持续15 ms的高电平,触发MSP430F149,让它从低功耗状态进入正常的工作模式,无线传感器NRF24L01也从待机模式进入发射状态,然后把数据通过NRF24L01发送出去,另外一端用相同的传感器去接收所发送的数据,无线发射传感器发射的距离为10 m以上,整个发射的过程持续时间2 ms。整个电路消耗的平均功率为182μW左右,如果在实际应用中,选择的时间间隔更长,那么电路所消耗的功率将更小。
4 结论
微弱能量收集实现了将环境中其他形式能量转换为电能,可以将收集到的电能做为电池供能的一个补充,用来延长电池的使用寿命以及解决特殊环境里的电池更换问题。本文设计的低功耗微弱能量收集电路,能够实现对环境中多种微弱能量的收集。实验结果表明,与传统的微弱能量收集电路相比,本文设计的低功耗微弱能量收集电路实现了微弱电能的收集,将电路的功耗降低到了182μW,验证了给低功耗器件供能的可行性。由于微弱能量的收集具有节能、环保、易于实现等特点,因此作为新型能源将具有良好的应用前景。
参考文献
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能量收集电路 篇4
随着煤矿数字化、信息化和自动化[1]的发展,井下布置了大量的无线传感器。传感器节点多采用电池供电,而电池容量有限。电池的更换维护消耗了大量的人力和物力,同时也无法保证无线监控系统的可靠性。电磁能量收集技术的研究进展[2,3,4,5]使利用电磁能量收集的方式为传感器节点充电成为现实。电磁能量收集也称为射频能量收集,是一种将分布于周围环境的电磁能量进行收集并转换成可使用电能的技术[6]。电磁能量收集系统可直接作为无电源系统的电源,也可作为辅助电源为电池充电[3]。电磁能量收集的主要应用是为无线传感器节点供电。目前有些传感器的功耗可以做到微瓦级,基本符合电磁能量收集水平。对于一些允许间歇性工作的传感器,也可将能量收集系统直接作为传感器节点的电源。不同于地面环境具有丰富的电磁资源,煤矿井下电磁资源匮乏。欲将电磁能量收集技术应用到井下,一般需设置独立的射频源。然而,对于煤矿巷道这种受限环境来说,更有利于电磁波能量的汇聚,能显著提高能量收集的水平。同时,巷道环境中电波频段较少,也无需考虑电磁收集的宽频化问题,这就简化了系统的设计。将无线电磁能量收集应用于煤矿井下既能解决电池电量不足的问题,又避免了大量接线所产生的安全隐患。因此,研究电磁能量收集技术在井下的应用具有重要意义。
学者们对电磁能量收集系统的收集水平[7,8]、天线设计[9,10]、整流电路设计[11,12]以及超材料应用[13]进行了大量的研究,也有一些应用。但地面成果不能直接照搬到井下。在实际的煤矿巷道中,传感器节点经常被布置在巷道两侧壁及顶壁中间位置,这就形成了传感器节点沿巷道壁呈带状分布的特点。在电磁能量收集的应用中,射频发射装置被放置在巷道的中部,为了分析发射装置与传感器节点间的功率传输特性,一个关键环节便是明确在能量收集的距离(最远考虑10m)内,电波在收发设备之间沿巷道壁传播的功率特性。从而定量分析功率传输效率,进一步为能量收发装置的设计提供理论依据。
对于无线电波在巷道中的传播规律,许多学者进行了大量的理论和实际研究,内容可概括为理论模型和数值统计模型。参考文献[14]提出了多模波导模型,并给出了理论表达式。该模型能计算矩形巷道中任意一点的接收功率。然而仿真电波沿拱形巷道壁传播时,用多模波导模型计算的结果与实测数据有较大误差。参考文献[15]通过实际测量研究了电波在巷道中的传播规律,给出了电波在大尺度下的传播模型,但对短距离情形没有具体分析。参考文献[16]测量了电波在地铁巷道中的传播特性,但只对传播特性进行了分析,而没有给出理论模型。参考文献[17-22]分别分析了巷道截面尺寸、围岩电参数、巷道壁粗糙度、围岩湿度、粉尘、水汽等对电波传播特性的影响。
大部分研究都是针对电波在巷道中长距离下的传播特性,是为井下通信服务的,进行研究所选用的巷道大多为矩形。但是,当分析电波沿巷道壁的传播特性时,拱形巷道和矩形巷道应当分开考虑。目前为止,有关电波在短距离下沿巷道壁传播特性的研究还很少,因此,针对煤矿巷道环境研究电磁能量的传输模型有着重要的现实意义。
1 井下巷道电磁能量收集方案
井下巷道电磁能量收集方案如图1所示。将无线电能发射装置安装在井下周期性移动的设备上,如巷道运输用的机车、刮板输送机等,由于这些移动设备涉及井下生产和运输的各个方面,其移动范围也覆盖了矿井下所有物联网节点的感知区域,所以,将无线电能发射装置安装在这些设备上,利用这些设备的移动对井下沿途的节点进行供电或作为备用电源对电池充电,可以确保节点拥有充足的电量。
电磁能量收集系统由发送端和接收端2个部分组成,如图2所示。发送端由电源供电,通过处理电路将电源提供给发送端天线;接收端由接收天线、整流电路以及调理电路3个部分组成。接收端产生的直流信号通过调理电路给传感器节点供电或为电池充电。
2 功率传输模型
微波能量由发送端发出,经巷道路径传播到达无线节点接收端,经过整流电路后,由调理电路输出。电磁能量收集系统的功率传输模型如下:
式中:Pb为能量收集终端的输出功率;PT为发送端的发送功率;GT为发送端天线的增益;GR为接收端天线的增益;PL(d)为微波能量在发送端和接收端天线之间的路径损耗,d为发送端和接收端天线间的距离;Pr_c为整流电路的功率损耗;Pc_c为调理电路的功率损耗。
功率传输模型中,PT是已知的,参考文献[23]从煤矿安全的角度分析并得出结论:PT的大小不能超过6 W,GT和GR的值越大越好,但是值越大,电波覆盖的范围越小,同时实现起来技术难度也越大。PL(d)是未知的,Pr_c的值与整流电路的效率有关。参考文献[24-29]对微波整流进行了细致的研究与设计,得到的整流效率都在60%以上,其中参考文献[24]设计的整流电路最大整流效率达到了89%。Pc_c的值取决于电路的器件特性,为一个定值。由于PL(d)的不确定性,导致了Pb的不确定性。为了定量分析Pb,必须明确PL(d)的表达式。
3 路径损耗实验分析
基于实际测量所得的巷道电波路径损耗特性,能为能量收集系统的开发与设计提供最真实的指导。基于此,本文对实际巷道测量所得数据进行统计分析,从而明确PL(d)的一般表达式。
3.1 巷道环境
实验所选用的典型拱形、矩形巷道分别位于山东省滕州市的郭庄煤矿和金达煤矿,巷道截面如图3所示。 拱形巷道的平均宽度和高度分别为2.7,2.6m,矩形巷道的平均宽度和高度分别为2.75,2.7m。
拱形巷道四周为岩石结构,内侧是混凝土结构,厚度约为10cm,地板厚度约为25cm。在混凝土和岩石之间铺设了一层金属网,金属网厚度约为0.2cm,金属网的正方形网格宽度为10cm。巷道一侧分布有4根电缆,每根电缆直径为10cm。电缆距侧壁5cm,电缆之间间隔8cm,最下面1根电缆离地板1.4m;巷道另一侧分布有1个直径为5cm的水管,离地板1.2m。地板一侧有宽为30cm、深为20cm的排水渠。偏离地板中心大概10cm分布有1条铁轨。巷道顶部中心位置分布有1条电缆,用于给照明灯供电。
矩形巷道的格局同拱形巷道类似,但是矩形巷道一般直接采用岩石作为顶板和底板,有的侧壁喷有混凝土,有的顶部喷有混凝土,还有些直接用煤层作为侧壁。实验时各种情形都有涉及。
3.2 实验方案
实验采用了2个工作在2.4GHz(井下传感器网络常用频段)的标准半波偶极子天线。发射天线位于巷道中间(图3中O点),这样插入损耗最小。发射天线通过1 根长度为2 m的低损耗射频电缆(goreXN3449) 连接微波信号源(R&S -SMB100A)。设置信号源的输出功率为16dB·m。接收天线依次放置在图3 中所标示的A,B和C三个位置,那里是经常放置无线传感器节点的位置。接收天线通过1 根5 m长的射频电缆(goreXN3449)连接频谱仪(GSP-830E),频谱仪连接便携式计算机用于记录数据。巷道中多径效应显著,频谱仪中信号跳动剧烈,为了方便观测和记录数据,取20次测量结果的均值在频谱仪中显示。实验方案如图4所示。
依次测试发射天线在A,B和C三点的接收功率。开始测试时,发射天线和接收天线位于同一巷道截面上,然后沿巷道轴向移动发射天线,每隔0.2m记录一次数据。考虑实际充电距离,设发射天线移动的总距离为10 m。建立如图3所示的坐标系,依次设置天线沿X,Y和Z三个方向极化,在A,B和C每一点测试3 组不同天线极化方式的数据。
3.3 实验结果分析
分别在拱形和矩形巷道进行数次实验,对2种类型的巷道分开讨论分析,每种巷道实验结果类似,选取其中1组数据进行分析。
3.3.1 拱形直巷道电波传播特性
10m的巷道距离可近似为直巷道,且属于LOS(Light-Of-Sight)区。所有测试点的结果相似,选取其中一个测试点进行分析。图5为拱形巷道中A,B,C三点在3种天线极化方式下的接收功率曲线。
参考文献[14,30]提出了全波波导模型,能够计算矩形巷道中任意一点的接收功率。但是,用此模型仿真的结果与本文中实测实验数据差异较大。参考文献[31-32]认为,巷道中如此近距离的情况应属于自由空间传播区域,传播特性遵循自由空间模型,其模型如下:
式中:d0为参考距离,本文设置当收发天线位于同一截面时的距离为d0,即OA,OB和OC之间的距离;PL(d0)为参考距离d0处的接收功率;n为路径衰减指数;Xσ为零均值高斯随机变量,σ 的值在0.3~3之间。
用式(2)对A,B和C三点在3个极化方向下的接收功率进行拟合,拟合曲线如图6所示。在能量收集过程中,考虑10 m距离下的平均功率,因此,拟合过程中忽略了Xσ的影响。拟合过程中产生的路径衰减指数n见表1。
不同位置、不同天线极化方式下的PL(d0)和n值均不同。为获得最大的充电效率,不同位置应该选用不同的极化方式。n值决定了功率的衰减程度,n的绝对值越大,功率衰减越大。电波沿巷道壁传播时的n值不同于自由空间的n值(n=2)。大量实验分析表明,在拱形巷道的A和C两点,选用Y极化方向能获得最大的接收功率,而在中间的B点,近距离时选用X极化方向是最优的。但是,Y极化在B点时n的绝对值较小,因而其衰减较为平坦,在远距离(约3m之外)时获得的功率远大于其他2种极化方式。
3.3.2 矩形直巷道电波传播特性
矩形巷道中A,B和C三点在3种天线极化方式下的接收功率曲线如图7所示。利用式(2)对图7中数据进行拟合的结果如图8所示。
拟合过程中得到的路径衰减指数n见表2。与拱形巷道相比,矩形巷道中路径衰减指数n的绝对值较小。2种巷道中,X和Z极化方式下的衰减规律类似。 但是,Y极化方式下具有较大的差异。10m的充电距离下,在A和C两点,Y极化方式下的n具有正值。同负值相比,正值说明其接收功率随距离的增加而逐渐增大,但是其PL(d0)初始值较低,所以,其近距离时的接收功率较低。在B点,Y极化情形下的接收功率PL(d0)初始值较低,但整体衰减缓慢,其后段距离的接收功率远大于另外2种极化情形。矩形巷道中发送端的天线设计应不同于拱形巷道。
4 功率传输模型仿真分析
有了路径衰减模型,功率传输模型可重写如下:
由于关注的是平均功率,同时为了便于分析计算,式(3)中忽略了Xσ的影响。为了简化仿真过程,假设整流电路的整流效率为一定值ηr,同时忽略定值Pc_c的影响,式(3)可进一步整理如下:
整流之后,由电池端电压Uc和电流Ic,可得
式(5)中,Uc设计为定值,Ic随Pb变化而变化。依据充电电池特性,Ic值必须高于电池充电阈值才能正常充电。
设ηr为一定值的60%,不同n值下的输出功率仿真曲线如图9所示。图9(a)对应一般情况下的功率衰减情形,此时n为负值;图9(b)对应矩形巷道中Y极化时接收功率逐渐增加的情形,此时n为正值。仿真时,尽量考虑高性能天线,GT和GR都设为10,PT设为巷道中所允许的最大功率6 W,即37.78dB·m。d0取实测时的1.1m,10m是发射天线沿巷道轴向移动的距离,d值应根据勾股定理进行换算。实测时,在接收功率衰减的情况下,n取值范围约为-5~-1;在矩形巷道中采用Y极化方式时接收功率逐渐增加的情况下,n取值范围约为0.5~2,但此种情况下PL(d0)值也较低。需要强调一点,仿真时,默认收发天线的方向图指向性是相对的,此时接收功率最大。从图9可以看出,当n为负值时,n绝对值越小,功率衰减越少,接收功率越平稳,可充电的距离越远;当n为正值时,情形正好与负值时相反。
由式(5)可知,充电电流Ic与Pb的变化规律一致。假设Pb值为25dB·m(即320mW),考虑实际应用,设Uc为3V,可得Ic为100mA左右。对于不同的n值,10m处的输出电流从33 mA降至0.03mA左右。
假定忽略井下安全因素,将发射功率从6 W(38dB·m)提高到20 W(43dB·m),设n=1,可得输出功率在不同发射功率Pt下随距离变化的仿真曲线,如图10所示。
从图10可看出,将发射功率Pt提高到20 W,输出功率的最大值和最小值将分别为0.639 W(27.8dB·m)和0.15 W(21.7dB·m)。由式(5)计算可得,充电电流的最大值和最小值分别为213mA和50mA。同提升发射功率所带来的安全隐患和能量消耗相比,充电电流的提升效果与之不成正比。由此可知,持续提升发射功率不是提升充电效果的最佳选择。
为了获得更大的充电电流,另一个方案是增加接收端天线的数量,组成接收端天线阵列。接收端天线单元之间设计成并联关系,理论上整流电流就是线性相加的。这样,2块接收天线单元汇集的电流便接近于将发射功率Pt由6 W提高到20 W时得到的电流,但具体接收端天线阵列与整流电流的定量关系还需进一步研究。
5 结语
建立了拱形和矩形巷道下,基于电磁能量收集的一般功率传输模型。该模型中,能量发射装置位于巷道中部位置,能量接收装置位于巷道壁上。该模型能计算10m近距离下微波功率沿巷道壁的传输效率。
对于功率传输模型中的路径衰减项,采用在实际巷道中实验测量、对数据进行统计分析的方法,给出了微波功率沿巷道壁衰减的一般表达式。分析结果表明,微波功率在拱形和矩形巷道中的衰减具有一定的差异性。在巷道中的同一位置,采用不同的天线极化方式具有不同的路径衰减指数。为了获得最大功率,在不同巷道位置、不同充电距离下应选用不同的天线极化方式。
能量收集电路 篇5
无线与低功耗电子器件的发展是引发当今能量收集技术发生基础性变革的主要因素。EnOcean是无线无源产品的领军企业, 它依托能源收集技术、传感器和RF (射频) 通信来提供无线无源解决方案, 取代电池驱动, 解决了长期以来进行电池更换和管理所产生的巨大负担。本文以EnOcean技术的热能应用为例, 介绍其在该领域的绿色低碳新突破。
从环境温差收集能量是极具吸引力的技术之一。众所周知, 温度的差异之间包含了大量的能量。在很多应用中, 环境自身可以透过温度差异来提供所需的能量。例如, 一滴水冷却1摄氏度释放出来的能量将足够发送约20000个EnOcean无线射频信号。这些能量可以通过热能发电机传递来启动无线驱动器实现远程控制。
基于这一原理, EnOcean基于热能量收集技术提供的无线无源解决方案可用于调节室内温度。降低室内的平均温度是节约热能源最有效的方法之一。据布雷默能量研究所的数据表明, 如果系统的温度能够自动根据时间环境, 以及是否有人存在而发生相应的改变, 则消耗的能量可降低约20%至30%。因此, 可以在控制中心根据不同的时间和温度的预设值使用温度调节器来调节不同房间的空气温度, 从而节约消耗的能量。
EnOcean提供的EDK312套件用于为EnOcean模块提供热能转换。它是由EnOcean EDK300套件升级而来的, 包含了热能转换器所需要的所有部件:ECT310 DC/DC变压器、标准帕尔贴元件、传感器评估板及STM312无线模块。图1是基于EnOcean热能转换的供热阀演示。
其主要技术特点如下:
▲无线无源控制
无线控制供热阀一般需要电缆连接, 通过电缆控制电源将能量输送到马达驱动器, 也可以采用无线的解决方案, 即通过无线电信号进行控制, 电源能量由电池供电。但供热阀需要调节温度, 需要的能量相对较大。因此电池需要每年更换一次, 这不仅麻烦, 成本高, 而且电池的使用对环境的污染也很严重。
另一种解决方案是采用自供电的无线设备。自供电意味着需要的能源是从过程本身或环境中得到的。根据赛贝克 (Seebeck) 效应, 当帕尔帖元件两边有一定的温度差时, 电子元件会产生电流, 即能源可以从过程本身得到。这也是EnOcean的无源无线供热阀的工作原理。它主要由阀门执行器 (由热能驱动) , 温度调节器, 中央空气调节系统, 接触单元等部分组成。
▲从温差获得能量
EnOcean使用低成本的帕尔帖元件, 元件两边分别为边长为15毫米和4毫米的陶瓷板。连接这两者之间的是特殊的金属接点。元件一方安装在散热器或加热器管道处, 另一方安装在一个由环境空气冷却的散热器附近。
通常, 由能量收集所得到的电能是非常小的, 每一度温差只产生12毫伏的电压。而帕尔帖元件消耗的功率很低, 大约每5度的温差只需400微伏的电压。因此只要热电电压高于20mv, EnOcean电路就可以工作了。这意味着2度以上的温差, 就可以使帕尔贴元件工作。
当收集到足够的能量以后, 电子接入点就会插入到驱动器中。运转执行器所需要的能量是能量和时间 (E=P*T) 的乘积。系统需要等待足够长的时间来产生足够的能量, 因此为缩短等待的时间, 所需要的负载能量必须尽可能地降低。
▲超低功率双向通信
供热阀的电路负载由两部分组成, 一部分是由控制供热阀门的马达驱动器产生的, 另一部分是由用于接收控制信号和驱动马达的电子电路产生的。无论是马达还是无线接收器都需要大量的能量来支持运作。EnOcean技术解决了这一关键点, EnOcean只在很短的时间内运行这些“耗能大户”元件, 其余时间保持元件均是关闭的。此外, 供热阀中长期运行的唤醒定时器是基于超低功耗设计的, 定时器每隔一段时间就唤醒微控制器和无线接收器进行工作。阀门会根据需求而迅速调整, 然后执行器会在一定时间内返回到节能睡眠状态。当执行器的休眠阶段占据绝大部分时间时, 它所需消耗的总能量最小。
供热阀中各元件的功耗粗略计算如下:
A) 热发电机:热发电机产生的功率首先取决于帕尔贴元件的温度差和所使用的散热器的体积。其次, 变压器的效率是决定性的因素。EnOcean实现了将变压器的效率优化了约30%, 其中输出能量是温度的一个函数。为了进一步计算, 将100微伏和环境温差设为7度作为一个平均值, 来计算得到一个输出能量值。
B) 唤醒定时器和无线通信:EnO-cean使用的唤醒定时器在长期的运行过程中只需要约100 nA的电流和3 V的电压, 这0.3μW (100nA×3 V) 的能量消耗是微不足道的。微控制器和无线接收器大约每2分钟被唤醒一次来发送和接收电报。这大约需要10毫秒, 电流消耗约为20毫安。通常通信只需要大约5μW (3V×20毫安X10ms/120S) 。
C) 马达驱动器:一个典型的低成本驱动器在正常情况下使用两个1.5伏电池来驱动, 大约能使用3秒———平均每秒消耗的电流为120毫安。因此, 若一个典型的操作消耗的功率为1.1ws (2×1.5 V×120毫安X3秒) 则每天进行四个设置操作消耗的能量为50μW (4×1.1 Ws/24 H) 。
▲休眠后重新启动
在运行中的休眠期间散热器承担周围环境能源的匮乏, 为了渡过这一短暂的时期, 休眠后重启动所需要的能量可以在运转阶段提前储存在电容器中, 电容器的作用相对于一个能量存储子系统, 由于能量收集器一般需要很长时间才能够收集到很少的能量, 而这些能量随后又会在数据传输过程中损耗掉, 因此在很多情况下收集器都带有一个电容器。
由于能源因素的影响, 最好不要在三步模式中运转阀门, 而是只在一个作业点上驱动它。这样阀门才可以根据现有的控制需求和能源需求进行相应的调整。因此在一个完整的安装操作中的暂停期间, 供热阀门由于需要对能源进行调节而不会被关闭, 关闭的是中央循环泵。因此不能远程控制阀门完全关闭, 必须手动关闭———重新打开也是如此。
除了无源无线供热阀, 根据上面所说的热能应用原理, EnOcean技术也可应用于空气调节装置。一般来说, 热发电机需要温差来产生能量。要得到冷的空气, 电压极性进行反转即可, 即通过交替冷/暖操作的反极性逆转电路实现。可以用通风板代替流体的阀门 (见图3) , 这两者获得能源和控制的过程是非常相似的。
事实证明, 能量收集技术的最佳应用是它与无线组件或传感器的结合。EnOcean的能量收集设备可以将温差产生的热能转换为电能, 并进一步驱动无线传感器。目前, 这种热动力无线传感器需求将日趋活跃, 并将配置在各种难以布设硬线的场合, 以及更换电池不方便的应用中。在建筑工程中, 供暖、空调、通风设备和水管设施均可使用热动力无线传感器。另外在一些工业应用中也可以运用热动力传感器来进行温度和早起故障的监测。
除了热能转换, EnOcean的能量收集设备还具有机械能、太阳能等转换功能, 应用于绿色节能智能建筑、工业数据采集、仪器仪表等众多领域。未来10年将是该技术实现爆发式增长的关键时期, 它的应用范围还将不断扩大。据英国IDTechEx公司预测, 能量收集技术的应用范围将遍及消费性电子、军事、航天、保健、石油与天然气、建筑、大众运输等市场。
参考文献
复合式压电振动能量收集器的研究 篇6
随着无线传感器网络、可穿戴设备和便携式电子产品的应用日益广泛, 这些能耗低、体积小的微小型装置面临的最大的挑战就是供能问题, 体积大、质量大、寿命有限、需定期更换是现有化学电池供能的固有弊端, 尤其是许多易燃易爆等危险场合不宜电池更换, 同时也带来环境污染等不容忽视的问题, 限制了目前发展迅速的MEMS产品、无线传感器网络和嵌入式系统[1,2]。因此, 为解决化学电池电源更换难、不易集成的问题, 从环境中收集能量转化为电能的技术已经成为国内外的研究热点[3,4]。由于振动能普遍存于生活环境中, 相比于其他能量收集方式具有更广泛的应用范围, 因此, 通过振动能发电是目前研究与应用较多的一种环境能量收集方法。国内外研究中将环境振动能转换为电能有三种基本方法:压电式、电磁式和静电式[4]。因为压电式振动能量收集器具有结构简单、无污染、无电磁干扰、易于加工制作等优点而成为国内外研究的热点[4,5,6], 环境振动驱动的压电能量收集器就是利用外界振动激励压电悬臂梁结构产生受迫振动, 从而使压电元件在激振力作用下产生弯曲变形, 在压电材料的正压电效应作用下将机械能转换为电能[7]。为了改善压电式振动能量收集装置发电性能, 本文进一步探索通过电磁耦合效应改变压电悬臂梁的振动状态以提高发电能力的方法, 希望能为压电振动能量收集器进一步的实用化作出贡献。
1 基于电磁耦合的能量收集装置设计
压电振动能量收集器的发电能力主要取决于悬臂梁的结构参数、压电振子、谐振频率和负载等, 当振动频率接近于压电悬臂梁的谐振频率时, 将使其发生共振, 此时压电振子的变形量达到最大, 振动能量收集器的输出电压也达到最大值。为了获得较大的压电振子变形量, 通常在压电悬臂梁的末端固定一个适当的质量块, 而同时还可以降低其谐振频率。本文中双晶片压电悬臂梁自由端质量块采用若干块永磁铁, 在磁铁垂直方向上放置一个电磁铁, 悬臂梁自由端磁铁在振动过程中会受到来自通电电磁铁的磁力作用, 通过均匀地改变电磁铁到悬臂梁自由端永磁铁处的磁通量密度, 便可以得出电磁耦合效应对压电悬臂梁的电压输出影响, 当压电悬臂梁受迫振动时, PZT片受到交替变化的拉应力与压应力, 由于压电材料的正压电效应, 将在PZT压电晶片上下表面产生电荷, 收集所产生电荷经转换后即可获得能量输出。电磁耦合下的复合式压电振动能量收集器工作原理如图1所示。
2 理论分析
当压电悬臂梁的自由端受外载荷F作用后, 中间金属基板产生与外载荷成比例的弯曲变形, 上下层压电陶瓷被拉伸或压缩, 导致压电陶瓷表面产生电荷, 上下层压电陶瓷变形量大小决定电荷量的多少。在外载荷下, 当上层压电陶瓷片受拉、下层压电陶瓷片受压时, 根据材料力学和压电本构方程可知, 上层压电陶瓷的压电方程为:
下层压电陶瓷压电方程为:
式中:S1P、T1P为x方向上PZT片应变和应力;D3P、E3为z方向上PZT片产生的电位移和电场强度;εT33、d31、SE11为PZT的介电、压电和弹性系数。
根据胡克定律可得金属板的应变和应力关系:
式中:S1m、T1m为x方向上金属板产生的应变和应力;sm11为金属板的弹性系数;sm11=1/Em, Em为金属基板的弹性模量。
根据已有研究可得出压电悬臂梁产生的电荷量与电压量分别为[8]:
根据文献[8], 可知单个压电晶片梁产生的电能为:
其中:
式中:α为金属基板厚度与悬臂梁总厚度之比;β为杨氏模量比, β=Em/Ep, Em为金属基板的杨氏模量, Ep为压电陶瓷的杨氏模量;k31为机电耦合系数。
可见, 压电陶瓷产生的电压与外载荷的平方成正比, 因此通过增加压电悬臂梁所受的外力, 就可以按平方关系提高其产生的发电量。当两块异极性永磁铁吸附在金属基板上使其固定于压电悬臂梁的自由端, 其附加的质量便可以增大悬臂梁的弯曲变形, 若在永磁铁下方布置一块较大电磁铁, 并通过线性地改变电磁铁到永磁铁处的磁通量密度, 压电悬臂梁结构中引入磁力改变原有的振动状态, 从而可进一步改变复合式压电悬臂梁的发电量。引入永磁铁与电磁铁后压电悬臂梁的受力情况如图2所示。
压电悬臂梁加上永磁铁之后, 悬臂梁整体质量变大, 在振动过程中, 相同频率下, 附加永磁铁的压电悬臂梁振幅增大, 悬臂梁内部应变和应力变化更加剧烈, 谐振频率减小。在此基础上, 若在永磁铁上施加一个磁力, 悬臂梁的振幅将进一步增大, 但由于磁力方向总是垂直悬臂梁向下, 将会出现悬臂梁下偏角逐渐大于上偏角, 如图3所示。
3 基于电磁耦合的能量收集装置制作
压电陶瓷是机械能与电能转换的关键元件, 故本文采用压电能量收集技术中普遍使用的PZT4压电陶瓷, 由于铍青铜材料具有很高的强度、硬度、弹性极限、疲劳极限、高导电性、弹性滞后小等优点, 故采用铍青铜作为压电悬臂梁的中间金属基板。通过环氧树脂导电胶将两片PZT4压电陶瓷片分别粘贴在长50 mm、宽15 mm、厚0.5 mm的铍青铜板上下对称的表面, 将其一端固定便构成压电悬臂梁, 为了测试试验方便, 实验中将所构成的压电悬臂梁固定于电磁激振器。为更好地固定质量块, 通过磁性吸力将两块异极性磁铁吸附在压电悬臂梁的自由端, 电磁铁沿垂直压电悬臂梁方向布置于永磁铁轴线正下方, 并通过上下位置可调的升降台调节电磁铁与永磁铁间的距离。
4 实验
4.1 实验装置
为了获得基于电磁耦合的复合式压电振动能量收集器的工作特性, 需搭建实验平台进行试验测试, 实验中所需的实验仪器包括用于使压电悬臂梁发生振动的电磁激振器、用于控制电磁激振器频率的信号发生器及将其信号放大以提供足够激励电压的功率放大器、用于电磁铁位置调整的升降机构、用于磁场强度测量的特斯拉计、用于显示压电振动能量收集器电压输出的数字示波器、电源等, 实验结构如图4所示。
4.2 实验方法
为了比较磁力作用对压电悬臂梁振动的影响, 分别在有磁力和没有磁力作用下对同一悬臂梁的输出电压进行了比较分析, 确定如下实验步骤: (1) 在压电悬臂梁自由端没有加永磁铁的情况下, 得出双晶片压电悬臂梁输出电压与激励频率之间的关系, 确定压电悬臂梁的谐振频率范围; (2) 在压电悬臂梁自由端固定永磁铁作为质量块, 得出压电悬臂梁的谐振频率和输出电压变化情况; (3) 测量通电情况下沿着电磁铁轴线方向上磁通量密度, 记录磁通量密度值和距离, 在相同距离情况下测量永磁铁的磁通量密度; (4) 根据第三步的测量值, 改变电磁铁与永磁铁之间的距离值, 在电磁铁磁通量密度值均匀变化情况下, 测量复合式压电悬臂梁系统电压输出值与激励频率之间的关系。
4.3 实验结果
图5为压电悬臂梁在附加永磁铁前后下输出电压随激励频率变化情况, 图中显示压电悬臂梁在无永磁铁时的谐振频率为70 Hz左右, 最大输出电压为6.48 V。压电悬臂梁附加永磁铁后, 弯曲振动模态的谐振频率为30 Hz左右, 最大输出电压20.8 V, 谐振频率明显减小, 最大输出电压也显著增大, 增幅达222%。
悬臂梁在无电磁铁和在磁场强度为0 T和1 T作用时的压电悬臂梁输出电压与频率的关系如图6所示, 对于B1=0 T的情况, 电磁铁对永磁铁没有磁力作用, 但由于永磁铁磁性大于电磁铁, 永磁铁对电磁铁有一定的磁力作用, 由牛顿第三定律的力相互作用性原理可知, 即电磁铁此时对永磁铁有一定磁力作用。图6表明, 复合式压电悬臂梁受电磁铁的吸力作用后, 其谐振频率略有减小, 最大输出电压有小幅度地增大, B1=0 T时, 其谐振频率约为20 Hz, 最大输出电压可达20.88 V;当B1=1 T时, 其谐振频率约为13 Hz, 最大输出电压可达21.24 V。二者与无电磁铁时的最高输出电压相比, 电压值分别增加了0.08 V、0.44 V, 增幅分别为0.38%和2.12%。
为进一步得出电磁铁磁场强度对复合式压电悬臂梁的影响, 实验测试了线性变化磁场强度对压电悬臂梁输出性能影响, 图7为压电悬臂梁受到线性变化的电磁铁磁通量密度时输出电压随激励频率的变化情况。可见, 与没有受磁力作用下的压电悬臂梁相比, 压电悬臂梁在线性变化的磁通量下, 谐振频率继续发生偏移, 但减小的幅度越来越小, 开始时最大输出电压小幅度增大, 但最后慢慢减小, 其原因可能是压电悬臂梁在振动过程中上偏角变小, 下偏角变大, 上下压电陶瓷片的拉应力与压应力不同, 故压电片的形变程度不同, 引起上下压电陶瓷的输出电压发生变化。
5 结论
本文设计制作了基于电磁耦合的复合式压电振动能量收集器, 并对其工作性能进行了试验测试。通过在压电悬臂梁上附加永磁铁改变其谐振频率, 并利用电磁铁的磁力作用改变压电悬臂梁的受力以增加压电悬臂梁式能量收集器输出电压。实验结果表明, 压电悬臂梁附加永磁铁后, 其最大输出电压增加了222%, 压电悬臂梁在电磁铁产生磁场强度分别为0 T与1 T的作用力下, 与无电磁铁时的最高输出电压相比, 电压值的增幅分别为0.38%和2.12%。另外, 受磁力作用的压电悬臂梁随着电磁铁磁通量的线性变化, 其谐振频率略有增大。研究表明, 通过磁力的耦合作用不仅增大了压电振动能量收集器的输出电量, 而且还可改变其谐振频率。
参考文献
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能量收集电路 篇7
关键词：无线传感网络,能量采集模型,LEACH协议,HEED协议
1 引言
无线传感网络 (Wireless Sensor Network) 是一种基于无线通信的字组织网络, 网络自身的数据传递采用多跳通信。微型传感器节点协作感知, 收集和处理网络检测区的数据, 并将数据发送给基站。其具有低功耗, 低成本, 分布式工作, 有自组织能力等优点。
传统WSN节点采用普通电池供电, 电池的寿命决定了WSN的生命周期。WSN的能量采集成为了目前制约WSN大规模使用的最大因素。目前主要采用的工作模式为采取地占空比的周期性工作方式。占空比越低, 节能越显著。但节能与延时等性能之间的矛盾越尖锐。对于具有环境采能的WSN, 结合节点能量采集技术来研究具有能量与采集感知的WSN的分簇路由问题, 将会取得更好得能效和收益。
2 能量采集模型
目前能量收集技术已逐渐成熟, 使无线传感器网络节点能够从环境中收集能量。其中, 最常用的有太阳能电池技术。
3 路由协议
3.1 LEACH路由协议
Leach是一种典型的分簇路由协议算法。它在每轮分簇中生成的cutout分布式随机的。主要过程如下:节点产生一个0~1之间的随机数, 如果随机数小于阈值T (n) , 则向其它节点发布自己的簇头的信息。如果该节点已经当选过簇头, 则需把阈值设为0, 则此节点就不会再当选为簇头。对于为当选过簇头的节点, 则以T (n) 来决定是否当选。随着当选过簇头的节点数的增加, 剩余节点当选簇头的阈值随之增大, 节点当选簇头的概率增大。极端情况, 当只剩一个节点为当选是, T (n) =1, 表示这个节点一定当选。
T (n) 的公式为:
其中, P是簇头在所有节点中所占百分比, r是选举轮数, 代表这一轮循环中当选过簇头的节点个数。G是这一轮循环中未当选过簇头的节点集合。节点当选簇头之后, 即将自己当选新簇头的消息发布给其它节点。非簇头节点根据自己与簇头之间的距离来选择加入最近的簇, 并告知该簇头。当簇头收到所有的加入信息后, 就产生一个TDMA定时信息, 并且通知该簇中所有节点。为了避免附近簇的信号干扰, 簇头可以决定本组中的节点所用的CDMA编码。
3.2 HEED路由协议
LEACH协议有效运行需要前提条件:一直成簇初期, 所有节点当前能量相等;二是簇形成后, 消耗大致相同的能量。首轮选举簇头是, 条件一可以得到满足, 但在能量收集的模型后, 之后的每一轮都饱含有有能量采集技术得到的非均匀分布的能量。条件二也因能量收集技术而无法得到满足。因此需要设计具有能量意识的路由。
LEACH提供了一个有效的分布算法, 但未考虑簇规模的随机性及能量收集导致的剩余能量不同, 每个节点剩余能量完全相同的假设会导致能量很低的节点以不可忽略的概率当选簇头, 从而导致过早死亡。HEED协议在簇头选举阶段引入能量因素, 将阈值T (n) 修改为:
其中, 为节点剩余能量决定的阈值自适应调整参数。
其中, En_int为节点的初始能量, 节点的当前能量。
4 LEACH协议与HEED协议的仿真对比
仿真过程中假定节点随机分布在100m*100m的区域内, 区域内具有太阳能能量采集装置, 节点分布如图。汇聚点位于 (-5m, -5m) 的位置。
随着时间的推移, 传感器节点间的能量逐渐分布不均, 并且出现了某些传感器节点的量耗尽的情况, 此时, 簇首节点的选择也根据不同协议进行不同的选择过程。
LEACH协议并无能量意识, 因此在具有能量收集的无线传感器网络中, 其节点生存周期较短。HEED协议具有能量意识, 因此在具有能量收集的无线传感器网络中, 其节点生存周期较长。由于现有能量收集技术尚未成熟, 具有能量意识的HEED并不能特别明显地延长网络的生存周期。但随着对能量采集技术的深入研究, 具有能量意识的路由协议的优势将会更加明显得显现。
5 结论
能量收集电路 篇8
关键词：能量收集,电力线,供电电源,监测设备,电荷泵电路
0 引言
智能电网需要对高压线的温度、浮冰、垂度、舞动、电晕、断股, 以及高压配电柜内高压开关触点和电缆接头的温度[1,2,3,4]等状态进行监测。目前, 由于受工作环境、设备成本、安全等因素的限制, 监测设备电源不能直接由低压侧提供, 电源供给仍然是制约电力传输线状态监控发展的重要因素之一。
常见的监测设备供电方式有蓄电池供电[5]、激光供电[6]、电流互感器供电[7]、光伏发电供电[8]、电容分压器供电[1,9]、电流互感器与锂电池组合供电等[10]。
蓄电池供电电路结构简单, 比较容易实现, 但由于受环境温度和自身非线性的影响, 其寿命有限, 且维护费用较高, 在实际应用中较少。激光供电电源输出稳定, 纹波较小, 不易受外界其他因素的干扰, 但激光供电成本较高, 是阻碍其广泛应用的关键因素。光伏发电技术发展迅速, 但其输出功率易受环境光照、温度、太阳能极板面积等因素影响, 不十分适用于电力线监测设备供电。电容分压器供电利用电容提取高压母线周围存在的电场能量, 处理后用作电源。该方法不受母线电流影响, 输出相对稳定, 但需考虑过电压防护、电磁兼容等问题。温度和杂散电容对电源的稳定性和可靠性也会产生很大影响。
电流互感器供电的优点是电源结构简单、尺寸小、重量轻、绝缘性好、耐高压、成本低。由于高压母线电流变化范围大, 电流互感器供电面临两个问题:母线电流较小时, 难以取得足够的能量, 存在供电死区;母线电流较大时, 如何保护供电电路元件, 并且稳定输出能量。目前, 母线电流为10~1 000A时, 可以有稳定的电压输出[10,11,12]。为了减小电流互感器供电母线电流死区, 一部分研究者采用磁导率高的铁芯材料解决该问题, 如采用铁基纳米晶[13]、坡莫合金[14]、微晶材料[15]。这些方法虽然使母线电流低至9.6A时电源仍能正常工作, 但是这些磁芯材料极易饱和, 导致二次侧电压波形畸变、输出尖峰脉冲, 同时产生线圈发热、电路绝缘性差、短路等问题。另一部分研究者采用电流互感器和锂电池组合供电的方式[10], 这种方式电路复杂、成本高, 且锂电池长期处于充放电状态导致锂电池寿命有限, 不适应在线监测设备的供能需求。
针对以上情况, 本文采用高饱和磁感应强度的硅钢材料作为铁芯, 基于能量收集的思想, 通过电路设计, 解决目前电流互感器取能不适应高压电缆小电流的问题。
1 电源取能原理
电流互感器磁动势平衡方程为:
式中:n1为电流互感器一次侧匝数, n1=1;n2为电流互感器二次侧匝数;i1 (t) 为高压电缆母线电流;i2 (t) 为二次侧感应线圈输出电流;im (t) 为取能线圈励磁电流。
由磁动势平衡方程, 忽略原副边漏抗和铁芯磁阻, 带电荷泵整流电路的电流互感器整流电路见图1。图中:u0为负载电压;Is为电流互感器等效到二次侧的电流源, 其大小为i1 (t) /n2;Lm为电流互感器励磁电感;由D1至D5和电容C1至C5构成电荷泵压电路, 当母线电流较小时可以收集微弱的能量, 为后级电路供电;RL为后级电路等效负载。C5为储能电容, 容量较大, 则当母线电流较大时i2 (t) 连续。取电线圈输出电压u (t) 和磁化电流im (t) 的波形如图2所示[16]。图中:T为输出电压周期。
取电线圈的输出电压为:
式中:Φ为励磁电动势在取电线圈铁芯中产生的主磁通, 且Φ=BcS, Bc为取电线圈铁芯内磁感应强度, S为取电线圈铁芯截面积。
T也是一次侧电流的周期, 则对式 (2) 在半个周期内积分, 得电压的幅值u为:
u (t) 同时也满足:
由式 (4) 可得im (t) 在一个周期中的表达式为:
式中:k=0, 1, 2, …。
将式 (3) 代入式 (5) 可得:
电流互感器一次侧母线电流即高压电缆母线电流可以表示为:
式中:Ip为电流的幅值;ω=2πf, 为角频率;φ为电流的初相位。
由图1和图2可知, 在t=0时刻, i1 (t) /n2=im (t) , 即
且。在一个周期内, 负载上的平均电流为:
忽略电荷泵上的能量损耗, 取能的平均功率为:
则当满足或者RL=2πLm/T时, 取电互感器输出的最大功率Pmax为:
而励磁电感Lm为:
式中:μ为铁芯材料的磁导率;d为铁芯直径。
将式 (12) 代入式 (11) 得:
由式 (13) 可知, 取电线圈的最大输出功率与一次侧母线电流i1 (t) 、铁芯材料的磁导率μ、取电线圈铁芯截面积S和铁芯直径d有关, 和副边线圈匝数n2没有关系。为了使电流互感器取电电源能够在母线电流较小的情况下输出足够的功率, 需要选用磁导率高的铁芯材料。但是, 随着母线电流的增加, 磁导率高的铁芯很快达到饱和, 会给电路带来严重影响。因此, 为了避免铁芯进入饱和状态, 本文选用高饱和磁导率的硅钢作为铁芯。在高压侧监测技术领域, 监测系统往往不需要连续采样高压电力线状态, 一般采用间隔周期工作模式。针对母线电流较小的情况, 设计基于能量收集的电荷泵电路, 可以使电源断续为负载供电。
2 电源电路设计
电源电路由取电线圈、电荷泵、储能模块、泄能通道、泄能控制器、多点电压采样模块、供电控制器、供电通道、稳压模块等组成, 其原理框图如图3所示。
高压电缆作为取电线圈一次侧输入端, 当高压电缆中电流较小时, 根据电磁感应原理, 取电线圈作为二次侧获取感应电能, 感应输出电压、电流, 流入电压泵模块中, 经电压泵模块电能转移和倍压作用后, 由储能模块收集和存储起来, 当储能模块的储能增量大于负载工作一个周期所需能量时, 电子开关闭合, 向稳压器和负载供电, 然后储能模块电压下降, 当下降到不能供给负载稳定电压时, 电子开关断开, 储能模块重新存储电能, 周而复始, 为电力线监测设备间歇供电。当电力电缆中电流足够大时, 储能模块快速充满电, 直接为后级电路持续供电。
2.1 铁芯与线圈匝数的选取
由式 (13) 可知, 电流互感器能够输出的最大功率与铁芯材料的磁导率μ有关系, 即磁导率越大输出功率越大, 但磁导率高的铁芯随着磁场强度的增大, 容易达到饱和, 磁感应强度将不随磁场强度的增大而增大, 线圈的输出电压不再随电流线性变化, 而出现畸变, 这是应该避免的。铁基纳米晶和硅钢片的磁化曲线如图4所示[13]。
由图4可知, 硅钢片在弱磁场阶段 (0至H′) 的初始磁导率较小, 在强磁场阶段饱和磁通密度很高, 不容易饱和;而铁基纳米晶不仅初始磁导率高, 易饱和, 而且磁通密度也没有硅钢片高。因此, 本文采用初始磁导率相对小的硅钢材料作为铁芯。
由式 (3) 可知, 二次侧输出电压u与n2, S, Bc有关。为了在母线电流较小情况下, 二次侧感应出足够的电压, 可以加大铁芯截面积。又由式 (13) 可知, 最大输出功率不仅与截面积有关还与铁芯直径有关, 但是考虑到重量不能太大, 因此选择尺寸为外径80mm、内径60mm、高10mm, 截面为矩形的铁芯。二次侧匝数太少时感应电压太低, 不足以驱动电荷泵工作。要保证电荷泵正常工作, 二次侧输出电压只要大于一个二极管死区电压就可以。为了使电荷泵更好的工作, 实际工作时选取二次侧输出电压为2V, 铁芯截面积S为0.000 2m2, 工作周期T为0.02s, 铁芯在母线电流为1A时的磁感应强度B为0.03~0.04T。由式 (3) 可知, 二次侧线圈匝数为1250~1 666匝, 实际中取1 500匝。取能线圈绕线直径为0.035mm, 理论允许最大电流为1A。
2.2 电荷泵电路
为解决目前电流互感器电源存在取能死区的问题, 采用基于能量收集思想的电荷泵电路。电荷泵利用电容电荷累积效应获得高于输入源的电压, 它一般由电容、半导体开关管及时钟源组合而成, 通过控制开关管的导通和关闭, 实现电荷的积累和转移。结合电流互感器取能线圈的输出特点, 以减少电路的复杂度及不必要的损耗为出发点, 采用二极管和电容设计电荷泵电路。
以设计的五级电荷泵为例, 其电路模型如图5所示。
设电流互感器电源二次侧输出交流电压有效值为U。二次侧输出经D1对C1充电;经C1和D2对C2充电;经C2和D3对C3充电;经C3和D4对C4和C2充电;经C2, C4, D5对C5充电, C5的电压为5U。至此, 电流互感器电源将能量转移到了C5, C5为后级电路供电, 实现了整流倍压的目标。
为了满足低功耗、大电流、导通压降小的要求, 电荷泵电路中的二极管选用肖特基二极管。由电荷泵原理分析知, 只要二次侧输出电压大于一个二极管死区电压, 电荷泵就能正常工作。
2.3 储能模块
储能模块可以采用锂电池和容量较大的电容。锂电池寿命有限, 也需要增加控制模块, 使电路变得复杂。电容具有成本低、循环使用寿命长、免维护等优点, 是应用比较广泛的一种小容量储能装置。设计的电源采用两个470μF的电解电容并联储能, 也可以采用具有更多优点的超级电容作为储能器件。
2.4 供电控制及泄能控制
此部分采用电压比较器作为控制器, 设计滞环控制回路, 设置基准电路及采样电路, 采用全控元件金属氧化物半导体 (MOS) 管作为执行元件控制供电通道和泄能通道的开启及关断。
在两个采样点分别获取采样电压, 一个用作供能控制信号, 另一个用作泄能控制信号。供能控制信号与基准电压信号比较, 当采样电压大于开通电压Von=6.7V时, 控制器发出开通信号给执行元件MOS管, 使电路为稳压器和负载供能, 储能模块电压下降;当采样电压小于关断电压信号Voff=5.1V时, 控制器发出关断信号给执行元件, 切断供能电路, 储能模块重新存储电能, 实现供能滞环控制。
泄能控制信号大于VH=11V时, 开通泄能通道, 将多余的能量泄放出去, 小于VL=8V时, 泄能通道关闭。由于高压电缆中电流变化很大, 特别是发生短路时, 会对电源带来很大的冲击, 甚至损坏电源, 为了避免这种情况发生, 采用瞬态电压抑制二极管 (TVS) 并联在取能线圈输出端。
3 实验结果及分析
3.1 实验原理
为了验证本文提出的方案, 研制了样机。样机额定输出电压为3.3V, 并以无线测温模块为负载做了实验。负载要求工作电压为3.3V, 工作电流约为20mA, 工作一次持续时间大概120 ms, 休眠电流约为5mA。实验平台由调压器、升流器、电力电缆、电源样机、负载等组成, 实验原理如图6所示。
图中:T1为调压器;T2为升流器;A为钳形电流表, 实时测量电缆电流。调压器T1保持电压稳定, 升流器将220V交流转换为大电流, 电流在0~1 500A内可调。T2输出与电力线相连, 取能线圈与之耦合, 线圈输出接取能电源, 取能电源输出与无线测温模块连接。样机测试实验现场图见附录A图A1。
3.2 取能电源输出特性及分析
当电力线电流为1A时, 电源工作波形如图7所示。
由图7 (a) 可知, 电源在储能模块电压上升至6.72V左右时开始供电, 下降至5.12V时关闭供电通道, 充电周期为5.5s。由图7 (b) 可知, 电源经稳压后输出电压波形为方波, 且电压幅值为3.36V。输出电压持续时间约为320ms, 两次方波输出间隔为5.32s, 而负载无线测温模块每次工作所需电压为3.3V, 工作一次持续时间为120ms, 满足负载需求。
当电力线电流增大至40A或43A时, 电源工作波形如图8所示。
由图8 (a) 可知, 当一次侧电力线电流为40 A时, 电源连续工作, 此时输出电压始终为3.36 V。由图8 (b) 可知, 当电流为43A时, 电源进入保护工作模式。电源储能模块电压上升至11V时, 开启泄能通道, 下降至8V时关闭泄能通道, 泄能周期为8.3s。输出电压波形始终稳定在3.36V。
当电力线电流为500A和1 000A时, 电源输出波形如图9所示。由图可知, 电流互感器电源在母线电流为500 A和1 000 A时仍能够稳定输出3.3V电压, 但是储能模块的泄能周期由母线电流43A时的8.3s分别缩短至60ms和40ms, 说明随着母线电流的增大, 电源获得的能量在逐渐增多, 除保证负载所需能量外, 其余能量通过泄能通道泄放掉。
电源的最大输出功率如图10所示。在高压电力线电流为1 000 A时, 电源最大输出功率为2.25 W。
4 结语
针对现有电流互感器取能电源存在供电死区的现象, 本文提出了一种可适应高压电缆母线小电流的电流互感器取能电源供电方案。采用五级电荷泵电路实现了母线电流小至1A时能够为负载提供足够的能量, 同时, 电源适应母线电流的上限范围提高至1 000A以上。