Диссертация (Разработка энергоустановки на базе возобновляемых источников энергии для питания беспроводных датчиков газа)

2ОглавлениеВведение............................................................................................................................4ГЛАВА 1. Энергосберегающие сенсорные системы1.1. Беспроводная сенсорная сеть..............................................................................91.1.1.

IEEE 802.15.4………………............………………................……………..….101.1.2. Zigbee………………………………………………............................................111.2.Описание основных компонентов беспроводной сенсорной сети................121.3.Сенсорные сети предназначенные для анализа газов....................................141.4.Оптимизация энергопотребления датчиков газа............................................191.5.Альтернативные источники энергии как новые платформы питаниябеспроводных газовых датчиков...................................................................................251.5.1. Солнечная энергия.......................................................................................................271.5.2. Пъезоэлекртичество............................................................................................281.5.3.

Тепловая энергия.................................................................................................301.5.4. Радиоволны..........................................................................................................321.5.5. Ветровая энергия.................................................................................................331.6. Выводы.................................................................................................................34ГЛАВА 2. Теоретические основы создания платформы питания беспроводныхдатчиков от возобновляемых источников энергии2.1.

Оценка потребления мощности беспроводными датчиками газа.....................362.2. Общие понятия для создания энергоустановки по аккумулированию энергиииз окружающей среды.....................................................................................................402.3. Линейные регуляторы.............................................................................................432.4. Ключевые стабилизаторы напряжения.................................................................452.5.

Разработка алгоритма оптимизации сбора солнечной энергии дляэнергоустановки...............................................................................................................562.6. Выводы.......................................................................................................................58ГЛАВА 3. Разработка энергоустановки на базе возобновляемых источников энергиидля питания беспроводных датчиков газа3.1. Проектирование схемы энергоустановки по аккумулированию энергии отвозобновляемых источников энергии............................................................................603.2.

Алгоритмы выбора источника питания и зарядки суперконденсатора................663.3. Реализация макета инеллектуального источника питания интегрируемого вкорпус сенсорного узла с возможностью генерации и накопления энергии Солнца иветра..................................................................................................................................693.4. Выводы......................................................................................................................74ГЛАВА 4. Результаты экспериментов проведенных с возобновляемымиисточниками энергии и автономная работа датчиков CO и CH4 на основеэнергоустановки4.1. Эксперимент с ветровой энергией..........................................................................774.2.

Эксперимент с солнечной энергией........................................................................794.3. Автономная работа беспроводного датчика угарного газа на основе питания отвозобновляемых источников энергии............................................................................824.4.

Автономная работа беспроводного датчика метана на основе питания отвозобновляемых источников энергии............................................................................8634.5. Перспектива применения энергоустановки на базе возобновляемых источниковэнергии для питания беспроводных сенсорных сетей.................................................904.6. Выводы.......................................................................................................................91Заключение.......................................................................................................................92Список литературы..........................................................................................................944ВведениеВ настоящее время все более актуальной задачей становится контроль качествавоздуха, которые включают в себя контроль концентрации углеводородов, угарного иуглекислого газов, кислорода и др.

газов как жилых и промышленных помещениях, так ина открытых пространствах.Наиболее эффективное осуществление мониторинга газового состава окружающейатмосферы может быть осуществлено путём развертывания беспроводных сенсорныхсетей, охватывающих большие территории и обеспечивающих непрерывный контрольналичия горючих, токсичных и взрывоопасных газов. Проводные датчики применяемые внастоящее время, могут оказаться непрактичными в некоторых задачах когда сеть состоитиз тысяч сенсорных модулей.

Причина заключается в том, что проводить кабелные линиив таких случаях с учетом существующих физических обстоятельств или огромногоколичества времени необходимого для развертывания проводных датчиков, можетсчитаться невозможным.Однако, необходимо отметить, что при отсуствии питания от кабельных линий, времяработы беспроводных газовых датчиков ограничивается емкостью батарей. Эта проблемаусложняется когда осуществляется мониторинг горючих газов поскольку датчикиуказанного типа потребляют значительное количество энергии.

Процедура замены батарейв БСС содержащих огромное количество датчиков отнимает массу времени и онастановится более грамоздкой когда беспроводная сенсорная сеть развернута внеблагоприятном месте в плане климатических и географических условий, что и можетвстречаться в нефтегазовых комплексах.Таким образом, задача обеспечения стабильного источника питания для беспроводныхдатчиков газа является актуальной. Для того, чтобы увеличить время автономной работыдатчиков газа, одним вариантом является питание беспроводных датчиков отвозобновляемых источников энергии.Вприродесуществуютразныевидыэнергиикоторыеможнособиратьипреобразовывать в электрическую энергию.

Наиболее распространенными источникамиэнергии являются свет, тепло, радиочастота, ветровая энергия и вибрация. Каждый вид5энергии имеет свои преимущества и недостатки, а применение конкретной технологиисбора энергии зависит от области применения беспроводных датчиков.В данной работе разработано устройство сбора энергии которое аккумулирует энергиюот солнечной и ветровой энергии для питания беспроводных датчиков газа.

Дляпроектированияустройствааккумулированияэнергиинеобходимоисследоватьвозобновляемые источники энергии (т.е., рассматривать каждый вид энергии, ихвозможности и ограничения), выбрать источники энергии на основе проведенного анализаи мощностных характеристик датчиков газа, анализировать варианты проектированиясхемы регулирования мощности и выбрать параметры для ее реализации учитываятребования по мощности компонентов на борту сенсорного модуля, разработать схемуисточника питания и алгоритмы по оптимизации сбора энергии от альтернативныхисточников энергии.Цель диссертационной работы. Разработка технологических принципов созданияэнергоустановки на базе возобновляемых источников энергии для питания маломощныхбеспроводных датчиков взрывоопасных и токсичных газов функционирующих в составебеспроводных сенсорных сетей.Для достижения цели были поставлены следующие задачи:Анализвозобновляемыхисточниковэнергиидляэффективногоиспользования в малопотребляющих электронных устройствах и системах.Определениеконструктивно-технологическихпринциповсозданияэнергоустановки для питания беспроводных датчиков газа от возобновляемыхисточников энергии;Разработка алгоритмов зарядки накопительного элемента и оптимизациясбора энергии от альтернативных источников энергии;Создание экспериментального образца энергоустановки по аккумулированиюэнергии от возобновляемых источников энергии и исследование егопараметров.Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:1.

Предложеносхемотехническоерешениеаккумулирующей альтернативную энергиюэнергоустановки,собирающейиСолнца и ветра для питаниямалопотреблющих устройств, в частности, беспроводных газовых датчиков,6предназначенных для функционирования в составе автономных беспроводныхсенсорных сетей и обеспечивающихмониторинг газового воздуха и передачуданных по радиоканалу.2. Разработан алгоритм оптимизации сбора энергии для солнечной энергии,заключающийся в увеличении эффективности зарядки суперконденсаторов.3. Показана эффективность использования суперконденсаторов в качестве накопителейальтернативной энергии в энергетической установке.

Предложено решение,обеспечивающее эффективную зарядку суперконденсаторов от солнечной батареи иветрогенератора, в случае завершении зарядки одного суперконденсатора за счетперенаправления энергии на не полностью заряженный второй суперконденсатор.4. Показана возможность длительной автономной работы беспроводных датчиковугарного газа и метана с питанием от разработанной энергоустановки, что позволяетиспользовать датчики для мониторинга токсичных и взрывоопасных газов в местах сотсутствующим сетевым питанием.Метод исследований.

Для решения поставленных задач были осуществленытеоретические расчеты и выполнены экспериментальные исследования показавшиехорошие совпадения теории с экспериментом.Научные положения, выносимые на защиту.1. Схемотехническое решение энергоустановки и эффективность использованиясуперконденсаторов в качестве накопителей возобновляемой энергии в энергетическойустановке для питания малопотреблющих устройств, в частности, беспроводных газовыхдатчиков, предназначенных для функционирования в составе автономных беспроводныхсенсорных сетей и обеспечивающих мониторинг газового воздуха и передачу данных порадиоканалу в местах с отсутствующим электрическим питанием.2. Оптимизация сбора энергии от солнечной панели проводится путемизменения времени разрядки и сравнения выходной мощности солнечной панели до и послезарегистрированных изменений. При достижении максимальной выходной мощностисолнечной панели балансировка прекращается.