一種基於物聯網的能源回收系統的製作方法

2023-09-17 05:08:30

專利名稱：一種基於物聯網的能源回收系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器物聯網，特別是一種傳感器網絡的電力能源回收系統。
背景技術：
隨著物聯網的不斷發展，微電子設備和傳感器等系統的應用範圍不斷擴大，已廣 泛應用於市政、環保、電力、醫療、軍事、工業等行業。由於這些傳感設備大都需要電源，與國 家提倡的節能減排目標相矛盾。

發明內容
本發明旨在針對現有的物聯網網絡，發明一種能夠在能源過剩的時候將收集能源 的系統。為達上述發明目的，採取的技術手段是
整個系統由能源應用部分、能源傳輸部分和能源感知部分三部分組成，能源應用部分 包括蓄能裝置和逆變器，能源傳輸部分包括各種電力導線，能源感知部分包括振動傳感器、 壓電傳感器、能量收集器。所述逆變器使用的是Nb逆變器，並且與逆變器連接的能量板使用「組串」和「陣 列」結構，具體是多個能量傳感器縱橫排列成單個能量板，然後多個能量板串聯成能量組 串，多個能量組串並聯成能量陣列。每個逆變器模塊連接一個能量陣列，逆變器由獨立的DSP (數位訊號處理器，每個 模塊一個)和一個CPU (中央微處理器)控制。DSP和CPU之間的通信採用CAN協議。模 塊之間的通信採用該相同的協議。該控制流程優化整個裝置的性能水平，並在任何絕緣和 負載條件下表現出高效率，始終符合相應的指示、標準和規定。所述的蓄能裝置是蓄電池電路，由於單個蓄電池的電壓與容量有限，在本系統中 採用串連蓄電池組來增加電壓和擴大容量。本系統在充電電路中使用無損均充電路，目的 是延長蓄電池組的使用壽命，提高系統的穩定性。均充模塊啟動後，過充的電池會將多餘的 電量轉移到沒有充滿的電池中，實現動態均衡。其效率高損失少，所有的電池電壓都由均充 模塊全程監控。多節電池串聯組成的電池組，各串聯電池都接有一個均衡旁路。能量傳輸部分是電纜，即通過電纜將應用部分和感知部分連接在一起。感知部分是能源的產生部分，本系統採用壓電式和電磁式結合的方法。在能量密 度高，並且要求與微機電系統結合應用場合使用壓電式能量回收的方法。在能量強度大，應 用面積廣的應用場合使用電磁式能量回收的方法。本系統採用的壓電式能量回收傳感器可 以在低頻環境下(小於100Hz)進行能量採集。電磁式能量回收傳感器選用永久的雙極(馬蹄)磁鐵，並且將多個馬蹄磁鐵組成一 個磁場陣列。通過振動，引起力矩的變化，使得磁場陣列中有切割磁力線運動，產生電流。本系統可以應用在道路照明、人流密集區一些物聯網系統中，解決電力供給問題。它的有益效果是能夠將系統中多餘的電能收集，通過逆變器送給電網和蓄電池，
3在能源不足的時候自動使用蓄電池中的備用電池。這樣能夠有效的利用能源，達到節能的 目的。


圖1，本發明的能量陣列的組成結構； 圖2，本發明的蓄能裝置電路圖3，本發明的電磁式能量回收傳感器結構圖。
具體實施例方式結合

本發明的具體結構。本發明的系統主要由能量應用部分、傳輸部分和感知部分構成，能量傳輸部分是 電纜，以電纜連接另外兩部分。下面分別描述各組成部分的具體構成。能量應用部分的構成
如圖1，多個能量傳感器1安裝在一塊板上，構成能量板2，多個能量板2串聯成能量組 串3，能量組串3並聯成能量陣列4。能量陣列4與Nb逆變器連接成能源感應部分，逆變器由獨立的DSP (數位訊號處 理器，每個模塊一個)和一個CPU (中央微處理器)控制。DSP和CPU之間的通信採用CAN 協議。模塊之間的通信採用該相同的協議。該控制流程優化整個裝置的性能水平，並在任 何絕緣和負載條件下表現出高效率，始終符合相應的指示、標準和規定。該系統的特點是，為系統通信提供兩個獨立的RS485串聯埠；一個通道用於用 戶通信，另一個用於組串匯線箱。系統內部存在4個連接部分
(1)直流進線通道
(2)AC功率連接銅牌
(3)電磁短路和安全開關
(4)輔助電源和信號連接端子排。本發明系統中採用蓄電池充放電。由於單個蓄電池的電壓與容量有限，在本系統 中採用串連蓄電池組來增加電壓和擴大容量。本系統在充電電路中使用無損均充電路，目 的是延長蓄電池組的使用壽命，提高系統的穩定性。均充模塊啟動後，過充的電池會將多餘 的電量轉移到沒有充滿的電池中，實現動態均衡。其效率高損失少，所有的電池電壓都由均 充模塊全程監控。多節電池串聯組成的電池組，各串聯電池都接有一個均衡旁路，如圖2所 示。圖中BTl···B 是單體電池，Si是MOSFET，電感Li是儲能元件。Si、Li、Di構成分流模 土夬 Ml、M2."MN0
在一個充電周期中，電路工作過程分為兩個階段電壓檢測階段(時間為Tv)和均充階 段(時間為Tc)。在電壓檢測階段，均衡旁路電路不工作，主電源對電池組充電，同時檢測電 池組中的單體電池電壓，並根據控制算法計算MOSFET的佔空比。在均充階段，旁路中被觸 發的MOSFET由計算所得的佔空比來控制開關狀態，對相應的電池進行均充處理。在這個階 段中，流經各單體電池的電流是不斷變化的，也是各不相同的。除去連接在Bl兩端的M1，所有的旁路分流模塊組成都是一樣的。在均充旁路中，由於二極體Di的單向導通作用，所有的分流模塊都會將多餘的電量從相應的電池轉移到 上遊電池中，而Ml則把多餘的電量轉移到下遊的電池中。能量回收感應部分的具體構成
基于振動的能量回收傳感器方式有三種靜電式、壓電式和電磁式。靜電式能量回收方 法所用的採集設備結構複雜，並且能量轉換效率低。本系統採用壓電式和電磁式結合的方 法。在能量密度高，並且要求與微機電系統結合應用場合使用壓電式能量回收的方法。在 能量強度大，應用面積廣的應用場合使用電磁式能量回收的方法。本系統採用的壓電式能 量回收傳感器可以在低頻環境下(小於100Hz)進行能量採集。電磁式能量回收傳感器選用永久的雙極(馬蹄)磁鐵，並且將多個馬蹄磁鐵組成一 個磁場陣列。通過振動，引起力矩的變化，使得磁場陣列中有切割磁力線運動，產生電流。 圖3中，200表示一個能量回收器，傳感器202由兩個磁層206和218構成。210為導電層。 204磁場源是由永久磁鐵2 和2 組成，指示箭頭222和2M表示產生的磁場的磁極方 向。封閉的枷鎖234位於2 和2 永久磁鐵外的隙縫處，封閉的枷鎖208位於206和218 永久磁鐵外的隙縫處，這兩個枷鎖用來固定兩組磁鐵。在回收器振動時，通過旋轉磁化在磁 性層206和218帶來活性磁力，傳輸到磁性單元216，然後會出現一個電壓的電極在210和 220。壓電式能量回收傳感器主要是在壓電材料的選擇。壓電材料品種很多，性能各 異，主要有壓電晶體、壓電陶瓷、壓電聚合物、壓電複合材料、玻璃陶瓷和弛豫電單晶等，其 中，壓電陶瓷具有優異的壓電性能，應用也最為廣泛。壓電陶瓷比任何單晶體材料更具多 方面的適應性，物理性質和化學性質上，比一般晶體要好得多，並可以做成任何需要的 形狀和大小，而且可以自由選擇其極化方向，加工成本較低。作為換能元件，壓電陶瓷可以 通過改變壓電陶瓷的化學成分組成或添加雜質改變其各方面的性能，以適應各種不同的用 途。壓電陶瓷中的PZT -5具有高機電耦合係數、高壓電應變常數和高電阻率，各機電參數 具有良好的時間穩定性和溫度穩定性，適合作為壓電振動微型發電機的換能元件材料。本系統中選用的壓電陶瓷，利用壓電陶瓷的振動來實現機械能向電能的轉換壓電 換能器的理論基礎是壓電參數和壓電方程，通過壓電參數的匹配和壓電方程的計算，能夠 優化換能器的機械模型。壓電方程是描述晶體的力學量及電學量的相互關係的表達式。實際應用中，系統 採用d型壓電方程
{S} = [SE ]{T} + [COt {Ε} {D} = [d] {Τ} + [ ε τ] {Ε}
式中{ S}為六維應變矢量；{ Τ}為應力矢量；{D }為三維電位移；{ Ε}為電場強度； [Se ]為6X6維的常電場估計的伴隨矩陣；[d ]為3X6維壓電應變常數矩陣；[ετ]為 3X3維常壓力估計的介電常數矩陣。為使發電裝置在較小的激勵強度、較寬的頻率範圍內具有較強的發電能力，系統 採用多片壓電振子發電，其聯接方式採用並聯方式。並聯接法的輸出電流大，時間常數大。壓電陶瓷發電裝置產生的電能相對較小，還不能直接為大部分電路提供驅動能 量，因此，必須進行電量的積累，才能使壓電換能器產生的電量能夠為電子設備提供能量。 為了保證壓電換能器產生的電能高效地傳輸給外設，還需對輸出端電路進行負載匹配。如圖2所示，通過合理的電路匹配設計，電量最終存儲在電容C3中。D3為穩壓二極體，其作用 是穩定Cl和C2的並聯電壓，防止過高電壓損壞DC /DC轉換器。
權利要求
1.一種基於物聯網的能源回收系統，其特徵是由能源應用部分、能源傳輸部分和能 源感知部分三部分組成，能源應用部分包括蓄能裝置和逆變器，能源傳輸部分包括電力導 線，能源感知部分包括振動傳感器、壓電傳感器、能量收集器。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵是所述逆變器使用的是Nb逆變器。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵是與逆變器連接的能量板使用「組串」和「陣 列」結構，具體是多個能量傳感器(1)縱橫排列成單個能量板(2)，然後多個能量板(2)串聯 成能量組串(3)，多個能量組串並聯成能量陣列(4)。
4.根據權利要求2所述的系統，其特徵是所述逆變器由獨立的DSP和一個CPU控制， DSP和CPU之間的通信採用CAN協議，模塊之間的通信採用該相同的協議。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵是所述的蓄能裝置是蓄電池電路，多節電池串 聯組成的電池組，各串聯電池都接有一個均衡旁路。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵是所述能量收集器使用電磁式能量回收傳感 器，具體選用永久的雙極馬蹄磁鐵，並且將多個馬蹄磁鐵組成一個磁場陣列。
全文摘要
一種基於物聯網的能源回收系統，涉及傳感器網絡的電力收集，其特徵是由能源應用部分、能源傳輸部分和能源感知部分三部分組成，能源應用部分包括蓄能裝置和逆變器，能源傳輸部分包括各種電力導線，能源感知部分包括振動傳感器、壓電傳感器、能量收集器。本發明系統能夠將傳感器網絡系統中多餘的電能收集，通過逆變器送給電網和蓄電池，在能源不足的時候自動使用蓄電池中的備用電池。能夠有效的利用能源，達到節能的目的。
文檔編號H02J7/32GK102097822SQ20101060063
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月22日 優先權日2010年12月22日
發明者向禮傑, 席長甫, 王文升 申請人:江蘇豐聯物聯網科技有限公司