Диссертация (Проектирование устройств автономного электропитания сенсорной телекоммуникационной системы мониторинга состояния газотранспортных сетей), страница 5

На сегодняшниймомент известны решения по снижению энергопотребления для данного типадатчиков,адаптированныебеспроводнойсенсорнойнепосредственносети.Такимдлярешениемпримененияявляетсяврамкахприменениеимпульсного нагрева сенсора, что имеет два важных недостатка:- вероятность быстрого выхода из строя при достаточно высокой частотевключения нагревающего элемента полупроводникового или каталитическогосенсора;- применение только определенной скважности импульсов позволяет достичьэкономии энергии – если промежуток между нагревающими импульсами сильнорастянут во времени, то сенсор успевает остыть, и следующий импульс будетвынужден сперва нагреть его до предыдущей температуры.Если в случае использования детекторов утечки газа для мониторингасостояния магистральных газопроводов нет необходимости постоянной работысенсора, а достаточно его опрашивать только с определенной периодичностью, то-32в случае использования полупроводниковых и каталитических датчиковтребуется, либо постоянно поддерживать пластину в нагретом состоянии, либокаждый раз при включении сперва тратить энергию на её разогрев – оба вариантаприведут к сильному увеличению энергопотребления.

Таким образом, дляописанного применения наиболее подходящим представляется использованиедетектора первого типа – пленочного, или колоритмического.1.5 ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХЭЛЕМЕНТОВДляобеспеченияработоспособностибесперебойногобеспроводногоэлектроснабжениясенсорногоиустройстваподдержаниявтечениепродолжительного времени наиболее подходящими источниками электрическойэнергии,нарядусаккумулятором,являютсяпреобразователиэнергииокружающей среды.

Сбор энергии можно осуществить из следующих наиболеераспространенных и хорошо исследованных альтернативных источников:1.Энергиясвета:Используютсяспециальныефотоэлектрическиеэлементы.2.Механические колебания: Сбор энергии осуществляется при помощипьезоэлектрических элементов от вибрации таких источников как рельсы,бытовая техника, колебания зданий от проходящего под ним метро, полов,мостов, автомобильные моторы, вертолеты и т.д.-33-3.Энергия тепла от печей, бытовых радиаторов, кожи человека,выхлопов транспортных средств, а также источников трения.4.Энергия ветра: в основном применяются ветровые генераторы свертикальной и горизонтальной осью вращения.5.Радиоволны: линии электропередач, GSM и Wi-Fi частоты.Их сравнительные характеристики сведены в таблице 1.3.Таблица 1.3 - Характеристики источников энергииИсточник энергии Характеристика Относительная доступная мощностьСветТеплоНа улице100 мВт/см²В помещении100 мкВт/см²Человеческие60 мкВт/см²Промышленные 10 мВт/см²ВибрацияЧеловеческие4 мкВт/см²Промышленные 800 мкВт/см²ВетерНа улице19 мВт/см²РадиочастотыGSM 900 МГц0,1 мкВт/см²Wi-Fi 2,4 ГГц0,001 мкВт/см²Таким образом, наиболее целесообразным вариантом является использованиев качестве источника энергии для восстановления заряда аккумулятора идальнейшегоподдержанияработоспособностиэлементовбеспроводнойсенсорной сети энергии солнечного излучения и энергии ветра.

Однакохарактеристикипреобразователей данной энергии будут иметь сильнуюзависимость от текущих значений соответственно солнечной инсоляции искорости ветра, поэтому необходима разработка специальных алгоритмов работы,позволяющих учитывать влияние всех основных факторов.Солнечные панелиНа текущий момент использование солнечного излучения является одним изсамых популярных способов получения энергии из окружающей среды,-34заключающийся в преобразовании энергии солнечного излучения, попадающегона поверхность специального материала (солнечный элемент), в электрическую, изапасания ее в аккумуляторе.Полная энергия солнечного излучения имеет сильную сезонную и суточнуюзависимость и также меняется в зависимости от широты местности. Сезонныеизменения суточной инсоляции горизонтальной поверхности в ясный деньприведены на рисунке 1.9.Рисунок 1.9 - Суточная облученность в зависимостиот широты местности и времени годаТакже на количество поступающей энергии влияет и угол, под которымпадают солнечные лучи, так как отклонение угла от нормали (90 градусов),приводит к увеличению слоя атмосферы, который необходимо пройти лучу, азначит, и к большему рассеиванию общей энергии.Для преобразования солнечной энергии в электрическую применяютсясолнечные элементы (рисунок 1.10).

Основными материалами для их созданияявляются Si и GaAs. При этом для солнечных элементов на основе гетероструктурAlхGa1-хAs—GaAs оптимальный диапазон степени концентрирования (Кс) почтина порядок выше, чем для кремниевых солнечных элементов, что связано с их-35меньшей величиной внутренних потерь и лучшей стабильностью коэффициентаполезногодействия(КПД)приколебанияхокружающейтемпературы.Максимальное значение КПД при использовании таких солнечных элементовможет превышает 25 % при Кс=100-1000..Рисунок 1.10 Фотоэлектрический элемент компании EnoceanОднако при всех своих преимуществах элементы на основе GaAs получилигораздо меньшее распространение, чем кремниевые, что, вероятнее всего, связанос более сложным технологическим процессом их производства. Солнечныеэлементынаосновемонокристаллическогокремния,работающиенанеконцентрированном излучении, являются наиболее популярным решением ипозволяют получать электрическую энергию при КПД около 20%.Кромемонокристаллическогокремниятакжеприменяетсяиполикристаллические структуры.

Основным их преимуществом является меньшаястоимость, но при этом они имеет гораздо более низкую эффективность (около10-15 %), что делает нецелесообразным их применение в качестве источникаэнергии для мотов сенсорной сети.По конструктивным особенностям монокристаллические панели можноразделить на два основных типа: с использованием фотоэлементов p-n типа ирасположенные параллельно облучаемой поверхности; и многопереходныеэлементы с несколькими p-n переходами, расположенные параллельно илиперпендикулярно облучаемой поверхности.-36К первому типу как раз и относятся «обычные» солнечные панели,преобразующие неконцентрированное или слабо-концентрированное солнечноеизлучение.Вследствие сильной зависимости доступной от солнечной панели мощностиот текущего уровня солнечного излучения (рисунок 1.11) преобразованнаяэлектрическая энергия всегда должна накапливаться сперва в аккумуляторныхбатареях, а уже потом поступать в нагрузку.

Это помогает избежать резкихколебаний питающего напряжения на нагрузке. Но для правильного зарядааккумулятора требуется специальное устройство –контроллер заряда –позволяющее в самом простом случае ограничивать напряжение заряда, недопуская глубокого разряда или перезаряда, а в более сложных системах –увеличивать уровень преобразованной мощности, используя специальныеалгоритмы работы с поиском точки максимальной мощности.Рисунок.

1.11 - Вольт-амперная характеристика фотоэлементаПо принципу действия основные виды контроллеров заряда можно разделитьна три основных типа:1. Контроллер компараторного типа вкл./выкл.Такой тип контроллеров является самым дешевым и простым по своейструктуре из всех типов. Он отключает внешний источник при достижении-37определенного уровня напряжения и подключает обратно при снижениинапряжения. Исходя из этого уровень заряда аккумуляторной батареи (АКБ) непревышает 70 %.2. Контроллер с широтно-импульсной модуляцией.В отличие от компараторного типа, ШИМ-контроллер на конечной стадиизаряда применяет широтно-импульсную модуляцию, тем самым увеличиваяуровень заряда АКБ до 100 %. Широтно-импульсная модуляция представляетсобой достижение постоянного напряжения заряда АКБ путем коммутацииисточникаэнергии.ПрименениеШИМ-технологиинапряжение и ток заряда аккумуляторапозволяетустановитьв соответствии с его текущимипараметрами.3.

MPPT (Maximum Power Point Tracking) контроллер c отслеживаниемточки максимальной мощности.MPPT контроллер постоянно отслеживает напряжение и ток на солнечнойпанели, перемножает их значения и определяет пару ток-напряжение, прикоторых мощность солнечного модуля будет максимальной. Встроенныйпроцессор также следит за стадией заряда аккумулятора (насыщение, наполнение,выравнивание и т.д.) и определяет, какой ток должен подаваться в аккумуляторы.С точки зрения эффективности третий тип контроллеров заряда являетсянаиболее энергетически выгодным, но при этом имеет ряд достаточно серьезныхнедостатков,делающихегоприменениевразрабатываемойсистеменецелесообразным – высокая стоимость, наличие силового трансформатора длясогласования уровней напряжения и сложные алгоритмы управления. Первые дватипа также не могут полностью соответствовать всем требованиям, позволив нетолько поддерживать определенный уровень напряжения на аккумуляторе иограничивать зарядный ток, но и вносить изменения в алгоритм управленияустройством в целом в зависимости от доступной мощности, и, самое важное, –согласовать одновременную работу солнечной панели и другого источникаэнергии.-38-ВетрогенераторыНа текущий момент существует большое количество различных видовисточниковальтернативнойпреобразующихэнергии,кинетическуюпостроенныхэнергиюветранавбазеустройств,электрическую-ветроэнергетические установки (ВГ).