基于最大功率点跟踪的室内环境能量收集电路设计与实现

作     者：卢慧斌 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王学香;虞建立

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

主      题：能量收集 能量管理 最大功率点跟踪 光伏电池建模 

摘      要：无线传感器网络(WSN)节点是物联网的基础之一,现阶段主要用电池供电,长时间使用中存在电池更换等问题。为了真正实现WSN节点的长时间免维护运行,基于能量获取从环境中获得WSN节点的能量供应,成为近年来的研究热点。本论文研究并设计了一种室内光能收集电路,在室内正常照明(200lux)条件下,WSN节点可以通过该电路实现能量自给。光伏电池建模和最大功率点跟踪(MPPT)是光能收集过程中提高收集效率的关键技术。现阶段的光伏电池模型和MPPT更多适用于室外太阳能收集等能量密度较高的应用场景,针对室内光能能量密度较低的特点,为了保证WSN节点持续、可靠工作,需要在传统光伏电池模型和MPPT方法的基础上进行必要的改进。论文首先研究了一种适用于室内弱光条件下光伏电池简化模型的建模方法,通过实验对比,该简化模型可以较为精确的预测光伏电池的输出特性,在200lux条件下,预测的平均误差为3.37%,最大误差为4.92%。接着研究了一种基于传统扰动观察法(P&O)的改进的MPPT方法,该方法利用光伏电池开路电压(V)和最大功率点电压(V)之间的比例关系确定扰动初值,使选取的初值更靠近光伏电池的最大功率点(MPP)。利用前后两次迭代的功率差值和电压差值的比值来确定扰动步长,使其迭代次数比传统的P&O更少。仿真结果显示改进的P&O跟踪速度比传统的定步长P&O提高了87.3%,比变步长P&O提高了56.3%。仿真结果显示,改进的P&O方法用于多种光伏电池MPPT时,均可以较快的跟踪MPP,具有较好的适用性。在室内正常照明(200lux)条件下,本文设计室内光能收集电路收集效率为90.48%,在室内弱光(50lux)条件下,收集效率为83.3%。为了验证光能收集电路的供电效果,设计了一款基于室内光能收集的无线温湿度传感器,实验表明在200lux照明条件下,本文设计的光能收集电路可以满足无线传感器节点56.6s周期工作的能量需求。论文实现了室内光能的最大功率收集,并且在低照度下成功驱动无线温湿度传感器节点持续正常工作。