Диссертация (1137266), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Представлен алгоритмобеспечениятребованийрасчетапоказателейнадежностиБСТСвсейпроектируемой системы, учитывающая структурные и аппаратные особенности.-48-2.1ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К МЕТОДУ ПРОЕКТИРОВАНИЯКак было описано в предыдущей главе, вследствие сильного износаэксплуатируемой газотранспортной сети, была поставлена задача разработкиэффективной системы мониторинга ее технического состояния. В качестверешения данной проблемы в ряде работ было предложено применениераспределеннойбеспроводнойсенсорнойтелекоммуникационнойсистемы,построенной на основе беспроводных сенсорных модулей (мотов), способных приобнаружениифактаутечкигазанаопределенном участкегазопроводапоследовательно передавать данные к базовой станции, а затем и на пультоператора системы мониторинга.

При изучении данных работ была выявленанеобходимость более детальной проработки вопроса организации автономногоэлектропитания одиночных беспроводных модулей для обеспечения высокойнадежности, бесперебойности электроснабжения и низкой стоимости.Проведенный анализ показал возможность реализации подобных системпутем подбора готовых устройств: приемо-передающее устройство, контроллерзаряда аккумуляторов от автономных источников энергии, сенсоров и химическихисточников тока.

Однако данное решение имеет серьезные недостатки, когда речьидет о сверхмалой мощности (до 1 Вт), суровых климатических условиях,высокой надежности:1.Существующиеалгоритмыконтролязарядааккумуляторов,применяемые в маломощных устройствах, не позволяют реализовать требуемыйфункционал, а именно: обеспечить непрерывную автономную работу в течениедлительного периода времени.-49-2.Суровые климатические условия в местах прокладки газопроводанакладывают особые дополнительные условия на обеспечение надежности всехэлементов телекоммуникационной системы.3.Отсутствие комплексного единого устройства для автономногоэлектропитания беспроводного модуля с возможностью реализации требуемогофункционала в части приемо-передачи данных и управления электропитанием.С учетом проведенного в первой главе анализа современного состояниявопроса организации автономного электроснабжения беспроводных сенсорныхустройств можно сформулировать основные требования к разрабатываемомуметоду проектирования автономных устройств электропитания элементовбеспроводной сенсорной телекоммуникационной системы мониторинга состояниягазотранспортных сетей, а именно:1.Метод должен быть приспособлен для его внедрения в современныйпроцесс проектирования без нарушения его основных этапов.2.Методдолженучитыватьвзаимовлияниеразличныхэтаповпроектирования, а также обеспечить максимально полный обмен информациеймежду ними.3.Использование метода должно обеспечить гибкость проектируемойсистемы электропитания в зависимости от изменяющихся условий окружающейсреды.4.Метод должен учитывать географические и метеоусловия заданногоучастка газотранспортной системы на всех основных этапах проектирования.Применение метода проектирования автономных устройств электропитанияэлементов беспроводной сенсорной телекоммуникационной системы должноповысить их энергоэффективность, эффективность системы обнаружения утечкиметана из газопровода и системы мониторинга состояния газотранспортный сетейв целом, а также обеспечить высокую надежность всей телекоммуникационнойсенсорной сети.-502.2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВААВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯРазрабатываемый метод (рисунок 2.1) позволяет обеспечить гибкостьпроектируемогогеографическихустройствафакторовиэлектропитанияметеоусловийпутемнакаждомучетаэтапеосновныхпроцессапроектирования и разработки необходимых алгоритмов его функционирования.Входными данными при проектировании сенсорного модуля являютсятребования по стоимости (S) и надежности (R), а также координаты расположениярассматриваемого участка газотранспортной сети (xyz) и общей длины данногоучастка (L) – расстояния между базовыми станциями.

В результате проводитсяанализ географических и метеоусловий для заданного региона с цельюопределения карты розы ветров (для ее учета при размещении беспроводныхмодулей), карты местности (для понимания рельефа, наличия различныхводоемов и рек) и общих климатических условий (среднемесячная температура,статистика осадков и др.).Модель состоит из четырех основных взаимосвязанных блоков: выбордетектора утечки метана (ДУМ), построение БСТС, определение параметровисточников электропитания, разработка схемы модуля и построение моделинадежности системы.ПривыбореДУМвпервуюочередьопределяетсятребуемаячувствительность датчика (Cppm) исходя из условия расчетной изолиниираспределения концентрации метана вдоль оси выброса газа в зависимости отопределенных условий окружающей среды: температура, состояние атмосферы,скорости и направления ветра (2.1).

Вывод формулы будет представлен в разделе2.4.-51-Рисунок - 2.1 Укрупненная блок-схема метода проектирования УАЭэлементов БСТС-52-C ppm  ( r  ut )2 1.49  Qexp  2(2   )3/2  xx(2.1).где Q - скорость выброса вещества [г/с]; u - скорость ветра [м/с]; r –расстояние до точки измерения [м];  x - горизонтальная дисперсия.Зная все необходимые параметры ДУМ, определяется месторасположениебеспроводных модулей по карте заданного региона с учетом характерной розыветров.Построение БСТС зависит от параметров выбранного ДУМ и рекомендацийпо их расположению вдоль участка газопровода. Основная концепция построениябеспроводной сенсорной системы мониторинга состояния газотранспортныхсетей была подробно описана в [26, 28, 33], однако, как и всему вопросуобеспечения автономного электроснабжения, так и разработке алгоритмовповышенияэнергоэффективностиуделялось.Поэтомувозникаетприемо-передачи, особогонеобходимостьвнимания несозданияалгоритмафункционирования приемо-передающего устройства (ППУ) в части минимизациипотребляемоймощностииучетавлиянияосновныхгеографическихиметеорологических факторов.

Также с целью повышения надежности иминимизации расходов на проектирование, создание и эксплуатацию системы принеобходимости может потребоваться внесение изменений в процесс выборадетектора и уточнение его выходных параметров, таких как чувствительность(Cppm), энергопотребление (Ps) и пространственное расположение относительногазопровода и других детекторов.Разработка системы электропитания, в первую очередь, зависит от требуемоймощности, то есть от характера и алгоритма функционирования нагрузки, а такжеот доступной в выбранном регионе выработки электрической энергии изавтономных источников.Для эффективного управления имеющейся нагрузкой с учетом постоянноменяющихся условий окружающей среды и уровня доступной электрическойэнергии требуется создание математической модели устройства автономного-53-электропитания,позволяющейобеспечитьвыполнениеусловиябалансамощности, а именно:Pi  Pch  ( Pkza  Pin )  Prtm  Ps (2.2),где Pch , Pkza , Pin , Prtm , Ps - соответственно мощность [Вт], затрачиваемая на зарядаккумулятора; мощность, потребряемая контроллером заряда, и внутренниепотери устройства; мощность, потребляемая ППУ и ДУМ.Тоестьуровеньтребуемоймощностинаподдержаниеполногофункционирования системы не должен превышать средний уровень мощности,доступной для выбранного региона при использовании каждого автономногоисточника по отдельности.2.3МОДЕЛЬ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯРанее в работе была предложена концепция построения автономной системыэлектропитания элементов сенсорной сети, в основу которой был заложенпринцип преобразования энергии от возобновляемых источников и дальнейшее ееиспользование для питания соответствующей внутренней нагрузки мота: приемопередающий модуль, контроллер заряда, детектор утечки.В рамках данного исследования была предложена следующая модельавтономной системы электропитания:-54Преобразование солнечной энергииСолнечная радиация, поступающая на деятельную поверхность в виде пучкапараллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца, называетсяпрямой солнечной радиацией [53, 59].Прямая солнечная радиация относится к коротковолновой части спектра (сдлинами волн от 0,17 до 4 мкм, фактически земной поверхности достигают лучи сдлиной волны от 0,29 мкм).Солнечный спектр приблизительно можно разделить на [60, 93]:- Ультрафиолетовое излучение.

Соответствует длине волны менее 0,4 мкм – 9% интенсивности.Излучение длин волн менее 0,29 мкм (коротковолновая ультрафиолетоваяобласть) практически полностью поглощается атомами кислорода и азота и недоходит до поверхности Земли. Ближняя ультрафиолетовая область ( 0, 29    0, 4мкм) присутствует на поверхности Земли лишь в малой доле.- Видимое излучение. Соответствует длине волны 0, 4    0,7 мкм – 45 %интенсивности.Видимое излучение чистая атмосфера пропускает практически полностью, иона становится «окном», открытым для прохода на Землю этого вида солнечнойэнергии. Наличие аэрозолей и загрязнений атмосферы могут быть причинамизначительного поглощения излучения этого спектра.- Инфракрасное излучение (λ > 0,7 мкм) — 46 % интенсивности.

Ближняяинфракрасная область ( 0,7    2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходитсяпочти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечнойэнергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО2 (диоксидомуглерода). Концентрация СО2 в атмосфере относительно постоянна и составляет0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно — почти до 4 %.При длинах волн более 2,5 мкм слабое внеземное излучение интенсивнопоглощается СО2 и водой, так что только небольшая часть этого диапазонасолнечной энергии достигает поверхности Земли.-55Дальний инфракрасный диапазон (λ > 12 мкм) солнечного излученияпрактически не поступает на Землю.В итоге имеем, что из 1,36 кВт/м2 мощности солнечного излучения,доступной в верхних слоях атмосферы, до поверхности Земли доходит только 70%, то есть около 1 кВт/м2.Количество энергии, получаемой от Солнца, зависит от длины пути, котороепроходят солнечные лучи через атмосферу [59].

Характеристики

Список файлов диссертации