振动能量收集与管理系统低能耗冷启动方法研究

针对目前的能量收集与管理方法在系统能源消耗殆尽情况下无法实现自启动的问题,提出了一种振动能量收集与管理系统低能耗冷启动方法。冷启动电路基于电压阈值滞回窗闭锁开关控制逻辑,能够周期性地为系统提供高功率能量,实现系统自启动。冷启动电路工作阶段可划分为稳定阶段和初始阶段,首先分析冷启动电路在稳定阶段的工作特性,得出冷启动电路的电压阈值滞回窗特性及窗区间与元件参数之间的关系;然后分析冷启动电路在初始阶段的工作特性,得出冷启动电路在低压状态下的自启动逻辑;最后对电路进行电路功能测试、能量转换效率测试实验,实验结果表明:冷启动电路能够实现系统能源消耗殆尽下的自启动,且自身能耗低,仅消耗系统能量的4%。

基于摩擦纳米发电机的输电线路振动能量收集装置

在电力物联网蓬勃发展的当下,如何持续且长时间地供能成为了数以万计的传感器所要面临的技术难题。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为新崛起的高效供能技术,在传感器的自供电领域有着非常广阔的应用前景。文中基于摩擦电工作原理,利用多层弹性体结构的垂直接触分离TENG,设计出一种面向输电线路微风振动的多层弹性体TENG能量采集装置。通过振动能量采集器输出性能测试平台模拟输电线路微风振动状态,对不同频率和振幅下能量采集器的基本电气特性进行测试,结合电能管理策略,构建面向输电线路微风振动的振动能量采集自供电系统,实现宽频带振动能量的高效采集与转换,完成对商用传感器的供能。最后,通过输电线路振动缩比模型验证文中所设计振动能量采集装置的有效性与可行性。文中设计的振动能量采集自供电系统能够有效地将输电线路宽频振动能量转换为电能,具有结构简易、经济性好的特点,解决了电力物联网传感器不能持久绿色供电的问题。

基于阵列型压电能量收集器的中高频自供电系统

随着物联网(IoT)的发展,无线自供电传感是实现感知机体状态和飞行环境的重要技术手段。机体振动具有分布范围广,激励频率高和频域宽等特点,单一压电能量收集器难以有效俘获能量。针对上述问题,研制了一套基于阵列型压电能量收集器的自供电传感系统。该系统由阵列型压电能量收集器、电源管理电路、传感节点、低功耗蓝牙及微控制器组成。压电能量收集器采用压电厚膜方案,在谐振频率693 Hz,2 g下最高平均输出功率密度为4 mW·cm^(-3)·g^(-2)。电源管理电路采用改进的整流器设计和欠压锁定电路(UVLO)实现高效能量传输与能量释放,充电速度是普通整流器的1.3倍,最大输出功率达到1.32 mW,结合微处理器进行时序控制可达到动态平衡,实现了固定间隔时间持续的数据读取和发送。

用于电站变压器振动能收集器的能量管理系统设计

为了克服压电型能量收集器的接口电路中负载匹配及电路损耗问题,基于前期研究的基础上,针对压电能量收集器在电站变压器中的应用环境,提出了一种新型电荷提取并储能的电路,通过无源峰值检测开关电路的应用,计算并分析了压电模块和后端电路模块的耦合效应,并且通过实验获得了一系列结论,这些方案优化了压电能量收集器的电路设计,充分收集了能量转换器输出的能量,提高了储能效率。经实验证明,基于能量收集器的电源管理电路给2节锂电池充电70天,可驱动3个60 m W的LED白光灯照明约3.88 h,也可用于带动紧急照明和应急操作系统的工作。

能量管理系统(EMS)第3讲数据收集与监视(SCADA)

介绍ＳＣＡＤＡ的硬件系统、数据收集与事故处理、控制、历史数据与计划数据、顺序事件记录与故障记录。

振动能量收集结构及其电源管理电路发展现状

随着微机电系统技术和集成电路技术日趋发展,以化学电池为主的供能方式制约着微型器件的发展,为此国内外研究者提出从环境周围中收集能量,并将其转换成电能供给设备使用。文中从振动式能量收集结构设计和电路设计两个方面进行系统地归纳和分析,介绍了国内外不同类型的能量收集技术的研究现状。重点分析了电源管理模块,详细介绍了其工作原理,归纳总结出电路结构的优化和改进方法,并做了对比,提出了自己的想法和建议,为相关研究人员提供参考。

基于分段线性系统的宽频振动能量收集器

研究了一种基于分段线性系统的宽频振动能量收集器,主要由抗磁稳定悬浮结构、弹性膜及感应线圈组成。在静止状态下,悬浮磁铁不需要任何外界能量稳定地悬浮在热解石墨板之间。当振动能量采集器受到水平振动激励时,悬浮磁铁在两热解石墨板之间摆动;当摆动幅度比较大时,悬浮磁铁将与弹性膜发生碰撞使系统刚度呈阶段性变化;随着悬浮磁铁运动,感应线圈中的磁通量发生变化产生感应电动势,从而使外界振动能转化为电能。当水平激励振幅为5 mm时,系统的工作带宽达到3.2 Hz,最大输出电压达到78 mV,最大输出功率为56.3μW;当水平振动激励的加速度为3 m/s^2时,系统的工作带宽达到2 Hz,最大输出电压为44 mV,最大输出功率为18μW。

基于摩擦纳米发电的无线自供能输电线振动监测系统

将基于折纸结构的摩擦纳米发电模块应用于输电线振动能量采集系统,并实现对输电弧垂振动情况的自供能监测。研制了具有自恢复特性的折纸发电单元,并集成于筒状驻极体发电机实现多相位能量收集,在持续振动情况下可输出200 V直流电压和80μA的交流电流,在70 s内可充满LTC-3588型电源管理电路电容。通过搭建模拟输电线无线监测平台,测试得到不同振动状态下驻极体发电机输出的特征电压波形以实现输电线低频振动情况的识别,并连接适用于高阻抗信号传输的WiFi多通道采集卡,实现折纸发电单元信号的无线传输及上位机实时监测。引入卷积神经网络(CNN)对输电线常见的4种运动模式进行了识别。此项工作为架空输电线路安全预警系统构建提供了新的思路及解决方案。

具有迟滞触发特性的振动能量收集器管理电路

在应用了电磁式振动能量收集技术的无线传感器网络节点中,针对半导体芯片在微能量供电的情况下会锁定在一个较低的亚阈值电压使其无法正常工作的问题,文中设计了具有迟滞触发特性的振动能量收集器管理电路。该电路在储能电压达到阈值之前,开关断开,保证存储足够能量。通过Proteus软件对管理电路进行仿真并分析其工作原理。设计管理电路PCB,完成联调测试。实验证明:电路具有明显的迟滞触发性能,静态功耗低,能稳定为无线传感器网络节点提供充足电能。

微型振动能量收集器的研究现状及发展趋势

综述了最近几年国内外微型振动能量收集器的研究状况,重点介绍了被广泛应用的压电式振动能量收集器和电磁式振动能量收集器,简要阐明微型振动能量收集器实现大规模商业化产品的可能性。根据微型振动能量收集器的工作方式和结构特点对其进行了分类,并且分别列举出了各种类型能量收集器的突出研究成果,详细介绍了各种类型振动能量收集器的基本工作原理和工作性能,对比各种结构的优缺点,总结各类微型振动能量收集器的适用范围和存在的问题。最后,分别从能量收集器的结构尺寸、材料性能和能量收集电路三个方面对微型振动能量收集器的发展趋势进行了展望。

可穿戴生理信息监测的自供电系统研究

设计与制作了一种应用于可穿戴生理信息监测的自供电系统,利用压电-光电复合能量收集装置采集人体运动时足底的机械能和室内光能。复合能量收集装置以运动鞋为载体,设计了多种结构压电能量收集器固定在鞋底,光电能量收集器粘接在鞋面,收集到的能量存储在超级电容中,同时设计了一套能够定时、按需供电的能量管理控制电路,控制生理信息监测系统每隔20 min上电一次,并且测量结束即刻断电。经测试,光电能量收集装置在室内从早上7点至晚上7点的平均输出功率达到590μW,压电能量收集装置在1.2 m/s的匀速步行状态驱动下的平均输出功率达540μW以上,复合能量输出功率能够稳定在1.124 mW以上,即20 min产电1.349 J。对系统各单元进行数据采集测试以及功耗测试,得出系统一个工作周期耗能1.04 J。从能量收支平衡来看,利用运动机械能与光能复合供电的生理信息采集系统可实现自我维持定时工作,具有一定的应用参考价值。

MEMS压电阵列振动能量收集器

近年来,随着微能源的发展,微型压电振动能量收集器得到了广泛关注,但传统d31模式PZT薄膜微型压电振动能量收集器输出电压普遍较低,难以满足应用需求。为提高微型压电振动能量收集器的输出电压,论文提出了共质量块悬臂梁阵列压电振动能量收集器新结构,该结构包含压电悬臂梁单元组成的阵列和一个质量块,悬臂梁阵列共用质量块。采用有限元方法对该结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁单元优化尺寸为3 mm×2.4 mm×0.05 mm,硅质量块优化尺寸为8 mm×12.4mm×0.5 mm。设计了MEMS压电阵列振动能量收集器加工工艺流程,加工出原理样件。在1 gn加速度,239.7 Hz谐振频率激励下,测试得到样件输出开路电压有效值为9.16 V;在最优化负载200 kΩ下,负载输出电压有效值为5.51 V,输出功率为151.8μW。

温差发电的微能量收集系统研究与设计

为积极响应国家充分开发和利用新能源的发展理念,利用绿色环保技术解决废热重新利用的问题,本设计针对目前存在的超低压升压和超低功耗电源管理技术问题,设计了微能量收集器、超低功耗电源管理电路、能量存储电路等,主要在充放电时间及节点上严格控制电路,最大程度上在负载不放电时最低消耗电能。把温差发电技术结合应用在汽车尾气管、温差数字水位计、温差智能浴室照明系统中,并设计出多个无源的实际应用系统来代替电池供电系统。

MEMS电磁式振动能量收集器加工及性能测试

为了满足轨道交通无线传感网络测量系统对自我供能的需要,设计了一种单线圈的电磁式振动能量收集器。利用MEMS技术制备平面镍弹簧片和铜线圈等关键部件,并结合永磁体进行整体组装,制备出了MEMS电磁式振动能量收集器样机。利用扫频结合加速度的方式对样机性能进行测试,在1 m/s2固定加速度以及100～400 Hz振动频率条件下,该能量收集器的最大位移和最大输出电压分别为50μm和2. 8 mV。

能量收集网络技术研究与发展

能量收集网络(Energy harvesting network,EHN)融合了新能源的优势,为能量受限型网络提供了解决方案,同时实现传统网络的节能减排,为网络的自治与永久运行提供发展前景。针对能量收集网络这一新的研究领域,本文分别从信息论视角、能量收集模型、离线与在线能量规划、无线能量与信息联合传输4个方面综述近年的研究现状与相关结论,旨在为能量收集网络的研究发展提供参考。

一种基于故障监测的MEMS压电能量收集器

为了实现对轮船发动机故障监测系统的可持续供电,针对轮船发动机振动特性以及故障监测系统应用需求,设计了一种基于d31工作模式的微机电系统(MEMS)压电振动能量收集器。该能量收集器采用了共质量块压电悬臂梁阵列结构,与传统单梁结构相比,其降低了MEMS压电振动能量收集器的机械阻尼。通过ANSYS软件对结构进行了优化设计,得到压电悬臂梁的优化尺寸为2.72mm×3.55mm×0.125mm,硅质量块的优化尺寸为14mm×8.45 mm×0.575 mm。设计了器件的加工工艺流程,并完成了芯片的制作。在加速度2g(g=9.8m/s2),谐振频率606Hz,最优化负载45kΩ下,输出电压为4.32V,输出功率为414.7μW,能够满足故障检测系统的可持续供电需求。

面向压电能量收集的传感器自供电电源设计

随着物联网传感器网络的快速发展,微弱能量收集电路因其诸多优越性而备受关注。该文设计了一种基于压电能量收集技术的电路,其通过收集环境中的低频机械振动能量,经压电陶瓷(PZT)换能器产生交流电压,再经四倍压电路放大,并通过LTC3588-1电源管理电路整流变换,最终产生一个可供低功耗传感器工作的可切换的标准电压。实验结果表明,该电路可有效支持低功耗传感器正常工作。

微生物燃料电池能量收集技术研究进展

微生物燃料电池(MFC)是一种将有机物中的化学能直接转化为电能的装置,在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。但MFC产电功率密度过低且不稳定,构成回路的外部电阻是一种耗能元件,能量均以热能的形式消耗,无法正常驱动电子器件。在实际应用中,需要考虑设计一种适用于微生物燃料电池的能量收集系统包括静态管理系统和动态最大功率点跟踪系统是MFC发展和实际应用的关键。能量收集系统可以将MFC产生的微弱能量存储变换,以合适稳定的输出间歇驱动负载,使MFC低能量输出具有了实际应用价值。重点阐述了针对于微生物燃料电池的能量收集技术及研究现状,并对未来研究方向和面临的挑战进行了展望。

压电能量采集系统的充电电路设计与仿真分析

在压电能量采集系统充电原理的基础上,设计了系统的充电电路,并对其瞬态、稳态充电电路进行了设计与分析。采用典型的两层结构,选用PZT-5H单晶片作为压电片,选用黄铜片作为基板搭建压电能量采集系统模型。仿真结果表明,当等效电阻为135 kΩ时,稳态输出功率达到最大为0.11 mV;当等效电阻为238 kΩ时,瞬态和稳态充电的临界充电电压为5 V;验证了所设计电路的合理性,为设计电路的推广应用提供了科学参考。

针对机械振动监测的无线传感器节点电源电路

每个无线传感器节点的供电方式决定了整个无线传感器网络的生存时间,从传感器所处的环境中获取能量,再将收集到的能量转换成电能给无线传感器节点供电的方式已经成为未来趋势。根据无线传感器节点的间断采集与发送数据的特点,即根据无线传感器节点的瞬时功率大和平均功率小这一特点,设计了针对用于振动环境的无线传感器节点的电源管理电路,每次当储能元件的电压达到阈值时,依次向射频模块和微处理器模块交替供电。利用Orcad/Pspice计算机软件进行了电源管理电路的参数优化并且模拟仿真,优化电路各个元器件的参数,使电路输出满足设计要求,并进行了电路功能的验证。