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基于上变频的任意方向波浪能与太阳能复合采集的发电系统研究

基于上变频的任意方向波浪能与太阳能复合采集的发电系统研究

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作者：童迪科中国计量大学

学位级别：硕士

随着传感技术的发展,无线传感网络成为当下应用热点。电池的频繁维护成为无线传感器网络发展的瓶颈问题。针对无线传感网络供电问题,环境能量采集技术成为一种绿色可行的解决方案。自然环境中蕴藏着丰富的太阳能和波浪振动能,然而太阳... 详细信息

随着传感技术的发展,无线传感网络成为当下应用热点。电池的频繁维护成为无线传感器网络发展的瓶颈问题。针对无线传感网络供电问题,环境能量采集技术成为一种绿色可行的解决方案。自然环境中蕴藏着丰富的太阳能和波浪振动能,然而太阳能因昼夜和天气因素无法全天候采集,波浪振动能具有随机性等特点,单一形式的能量无法保证为无线传感网络提供稳定的电能。因此,本文对波浪能与太阳能复合采集的发电系统进行研究,旨在解决超低频波浪环境下振动能量的高效采集和设计低功耗复合能量采集电路,为海洋环境的无线传感网络提供稳定电能。本文的研究主要包括:针对超低频波浪振动能量收集,本文提出一种由旋转滚动球驱动的多方向超低频压电振动能量俘能装置。俘能器被设计成漂浮在水面上,一旦受到来自任何方向波浪的驱动,俘能器将在相应的方向上发生倾斜振动。俘能器利用上变频技术,将低频波浪振动转化为悬臂梁自身高频振动,经过仿真分析、比较,最后实验验证本文设计的振动能量俘能器可以在超低频环境(非分时多路单电感同步电荷提取电路(non-time-division multiplexing single inductor synchronous electric charge extraction circuit,NTDSECE)。针对电路中两种能量同时存在的情况,NTD-SECE不再采取传统的分时复用或设置优先级方式处理不同的能量源。NTD-SECE可以同时对多种能量进行提取,同时NTD-SECE采用单控制电路处理不同能量源的控制逻辑。实验结果表明,NTD-SECE可以通过非时分时复用的方式从太阳能和波浪振动中提取能量,最大功率为450m W。论文实现了太阳能与波浪振动能的复合采集,为海洋环境无线传感网络供电提供一种可行性方法,在海洋环境监测中具有较大的应用前景。

关键词：太阳能波浪振动能压电上变频非分时复用

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可穿戴式多源协同环境能量俘获系统的研究

可穿戴式多源协同环境能量俘获系统的研究

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作者：常健中国计量大学

学位级别：硕士

随着智能穿戴式设备的发展,传统的电池难以同时满足其长时间待机及体积轻便的需求。随着超低功耗技术的发展,俘获外界的能量,并将其存储为智能穿戴式设备供电成为了一种解决传统电池供能问题的有效方案。目前人体及所处的环境中主要存... 详细信息

随着智能穿戴式设备的发展,传统的电池难以同时满足其长时间待机及体积轻便的需求。随着超低功耗技术的发展,俘获外界的能量,并将其存储为智能穿戴式设备供电成为了一种解决传统电池供能问题的有效方案。目前人体及所处的环境中主要存在三种能量:振动能、太阳能以及热能。然而振动能多为随机且不连续的,太阳能容易受到光照、时间的限制,同时对于热能俘获系统,其输出电压通常较低,很难单独将热能提取,因此单一形式的能量俘获系统存在一定的局限性。基于此本文进行了可穿戴式多源协同环境能量俘获系统的研究。本文提出了一种基于旋转上变频技术的可穿戴式多源环境能量俘获装置,该俘能器由一个圆柱形基体、旋转偏心质量块、光伏电池（photovoltaic cell,PV）、压电元件、悬臂梁、热电换能器（thermoelectric generator,TEG）以及其它必要元件组成。旋转偏心质量块随人体的低频运动而摆动,并通过引入磁力带动压电悬臂梁进行振动,实现振动能俘获。PV放置在圆柱形基体的顶部,实现太阳能俘获。同时热电换能器放置在圆柱形基体的底部,利用人体与环境之间的温差将热能转换为电能。对俘能器进行了仿真分析与结构参数的优化,并搭建了模型人体运动的实验平台对俘能器的能量转换性能进行了测试。实验结果表明,在一定的环境下,该俘能器的最大输出功率约为4.48m W,功率密度约为1.5*10-4W/cm。本文设计了一种多源协同的能量提取接口电路用于将俘能器俘获的能量协同提取,并进行存储。所提出的电路可将PV的输出电压稳定在最大功率点（maximum power point,MPP）附近可实现最大功率跟踪（MPP tracking,MPPT）。实验的结果表明,PV的MPPT效率可达83%,热能提取效率可达74%。所提出的电路可以有效地实现三种能量协同提取。可穿戴式多源协同能量俘获系统由可穿戴式多源环境能量俘获装置与多源协同的能量提取接口电路构成,实现了环境能量的高效俘获、提取与存储。在一定的环境条件下,整个系统有3m W左右的输出功率。

关键词：穿戴式设备环境能量俘获多源协同非分时复用最大功率点跟踪

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