CN101656492A - 电气设备状态监测无线传感系统杂散能供电方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种电气设备状态监测无线传感系统的杂散能供电方法，采用振动发电装置或温差发电装置或漏磁发电装置将电气设备在运行过程中自身产生的机械振动能或热能或漏磁能转换为电能，经电能变换模块对电能进行变换和调整，变换后的电能存储在可充电电池、电容器等储能装置中，为电气设备状态监测无线传感器节点供电。应用所述杂散能供电方法的装置包括：安装在电气设备上的振动发电、温差发电或漏磁发电等杂散能发电模块，电能变换模块和电能存储模块。本发明可有效利用电气设备运行过程中产生的杂散能量为无线传感器节点供电。

Description

电气设备状态监测无线传感系统杂散能供电方法和装置

技术领域

本发明涉及一种利用电气设备在运行过程中产生的杂散能量为状态监测无线传感器节点供电的方法和装置。

背景技术

为了提高电力系统中发电设备、输变电设备、用电设备(包括各种机电设备和家用电器)等各种电气设备的使用寿命和运行的可靠性，对这些电气设备进行状态监测具有十分重要的意义。目前电气设备状态监测采用传统的供电电源(有线方式)或电池(无线方式)供电，在国内外还尚未发现利用杂散能量为电气设备状态监测无线传感系统供电的先例。采用传统电源供电需要铺设大量的信号电缆，接线复杂，而且易受电气设备附近较强电磁环境的干扰；采用电池供电则需要经常更换电池，不仅增加了工作人员的劳动强度，而且在复杂电磁环境下还存在电池易爆炸、更换电池困难等诸多缺点。为了克服传统供电方式的不足，充分利用电气设备运行中产生的杂散能量，寻找一种节能而灵活的新型供电方式就成了当务之急。振动能、热能、漏磁能等都可能成为电气设备状态监测自供电电源的潜在能源。

将振动能、热能、电磁能等杂散能量收集起来为无线传感器节点供电已在交通、医疗电子、航空航天等很多领域进行了相关研究。例如，英国的南安普顿大学对振动式电磁发电机进行了大量研究，拟将其应用于工厂环境监控系统、心脏起博器、车载传感器等领域；中国的吉林大学对振动式压电发电机进行了研究，拟为汽车轮胎胎压监测系统的传感器节点供电。温差发电器件目前主要应用于军事、航天和废热利用等领域，美国目前已将放射性同位素温差发电系统用在深海中或航天器上。美国和日本等国家采用热电材料将汽车尾气产生的余热收集起来加以利用，节省了整个汽车的燃油消耗。

可以看出，杂散能量采集技术在很多状态参数监测领域中有所研究和应用。但是在电气设备状态监测领域，目前主要采用普通电力传感器进行状态参数的采集，传感器供电也大多采用有线方式。随着智能电网的实施，大量电气设备的多个参数都需要进行监测，采用有线传感器和有线方式供电，建设成本和人工维护成本将是很大的。因此，将来电气设备状态监测的主要目标是研究低功耗的无线电力传感器节点和自供电电源。最近几年来，从电流母线中取能和采用激光器供能等方式得到了一定研究。但是，从母线中取能存在母线电流不稳定、过电压和过电流会对取能电源带来损害等缺点，因此需要采用大量的稳压和保护措施。而采用激光器供能只适合于在小范围内应用，难以大规模推广。

从电气设备本身来看，大量的振动能、热能和漏磁能不仅没有利用起来，而且还对电气设备的长期安全运行带来不良影响。因此，采用能量采集装置将这些能量加以利用，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电气设备状态监测系统有线供电技术的缺点，提出一种利用电气设备在运行过程中释放出的振动能、热能、漏磁能等杂散能量，为电气设备状态监测无线传感系统供电的方法和装置。本发明提出的无线传感系统杂散能供电方法和装置，灵活、易实施，有望在电气设备状态监测领域得到广泛应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的供电方法采用杂散能量发电模块、电能变换模块和电能存储模块为电气设备状态监测中应用的无线传感器节点供电。杂散能量发电模块用于吸收电气设备产生的杂散能量，将其转换为电能。所产生的电能通过电力线输出到电能变换模块中，电能变换模块将发电模块产生的电能进行变换和调整。经电能变换模块变换后的电能给传感器节点供电。由于杂散能发电的功率通常小于传感器节点的功耗，因此传感器节点一般需要间断运行。为了获得传感器节点所需的功率，电能变换模块输出的电能需要采用电能存储模块进行存储，经过智能调节器后才能够连接到传感器节点。

本发明电气设备状态监测无线传感系统杂散能供电装置包括电气设备杂散能量发电模块、电能变换模块和电能存储模块。

电气设备杂散能量发电模块包括振动发电模块、温差发电模块和漏磁发电模块。振动发电模块采用压电式或电磁式结构；温差发电模块由多个半导体热电器件串联和并联组成；漏磁发电模块采用空心式或铁心式的取能线圈结构。由于不同的电气设备、以及电气设备不同部位的振动、发热和漏磁场都存在差异，因此需要有针对性地设计发电模块。电气设备的振动频率比较固定，一般为二倍的工频，因此在设计振动发电机时，要使其固有振动频率与电气设备的振动频率相一致，以产生比较大的振幅；电气设备的温差通常较低，因此需要选用低温差区的热电材料，并选用相对较大的接触面积。电气设备的漏磁能尽管很多，需要事先判断电气设备中漏磁较大的位置，并在满足电气绝缘的前提下安装漏磁取能模块。另外，还需要尽量避免电气设备附近复杂电磁热环境对发电模块的影响。

所述的电能变换模块包括功率模块和控制模块，对于振动发电装置和漏磁发电装置，由于发出的电为交流电，因此所述电能变换装置的功率模块包括整流器和DC/DC变换器，整流器和振动或漏磁发电装置的电能输出端子相连，用于将发电装置产生的交流电转换成直流电。DC/DC变换器和整流器相连接，用于调整整流器输出的电压和电流。DC/DC变换器中的功率开关器件执行控制信号传达的指令。对于温差发电装置而言，由于发出的电为直流电，因此，功率模块仅采用DC/DC变换器，无需整流器。所述电能变换模块的控制模块包括传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路。传感器用于获得控制器所需的信号；控制器通过滤波电路与传感器相连，输出控制信号；控制信号经光电隔离电路，送至功率模块的功率开关器件的控制端。

所述的电能储存模块为可充电电池或超级电容器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明提出的是一种收集电气设备自身产生的杂散能量作为工作能源的新型供电方法，可以有效解决电气设备状态监测无线传感系统的供电问题；

2)本发明提出的杂散能供电装置可以为电气设备状态监测无线传感系统提供新的能量来源，将以往未充分利用的电气设备运行过程中所产生的杂散能量加以利用，达到节能环保的要求，具有显著的经济价值和社会价值；

3)本系统应用广泛，可用于电力设备、机电设备以及家用电器等多种不同的电气设备；

4)在利用杂散能量发电的过程中，可以使本系统在发电同时起到减振降噪、散热降温和降低杂散损耗等作用。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

图1是电气设备杂散能量采集模块和状态监测无线传感器节点的系统结构图；

图2是振动发电装置的结构图；

图3是双压电晶片悬臂梁结构振动式发电模块示意图；

图4是温差发电装置的结构图；

图5是温差发电模块示意图；

图6是漏磁发电装置的结构图；

图7是漏磁发电模块示意图。

具体实施方式

本发明提出的杂散能供电方法采用振动能、热能和电磁能等不同的能量转换方式，为电气设备状态监测无线传感器节点供电。

应用本发明供电方法的装置结构如图1所示，该装置采用电气设备杂散能量采集装置为状态监测无线传感器节点供电。无线传感器节点包括传感器、处理器和射频发射器。如图1所示，本发明杂散能量采集装置包括杂散能量发电模块、电能变换模块和电能存储模块。电能变换和电能存储模块统称为能量采集电路。为了实现能量的调节和监视，增加了智能调节器模块和能量监视模块。首先，杂散能量发电模块所产生的电能通过电力线输出到电能变换模块中，由电能变换模块对发电模块产生的电能进行变换和调整后为传感器节点供电。由于杂散能发电的功率通常小于传感器节点的功耗，为了获得传感器节点所需的功率，电能变换模块输出的电能需要采用电能存储模块进行存储，经过智能调节器后才能为传感器节点供电。智能调节器模块与传感器节点的功率开关相连接，由传感器节点的功率管理模块所控制，通过对能量和功率的分析以确定是否为传感器节点供电。能量监视模块负责对杂散能发电模块、电能存储模块的能量进行采集和监测，并将相关信息输出到传感器节点的功率管理模块。

如图2所示，本发明装置的实施例1利用电气设备箱体的振动能量为无线传感器节点供电。电机、变压器和电抗器等电气设备在运行过程中，绕组和铁心都会发生振动，从而导致整个箱体的振动。因此可以将小型振动式压电发电机或电磁发电机安装在电气设备箱体上，用于吸收振动能量产生电能。压电发电机采用悬臂梁结构，电磁发电机采用悬臂梁结构或弹簧结构。在箱体的振动作用下，压电发电机中的压电元件会发生变形，在压电元件的两极会产生电荷和电压；电磁发电机的磁体和线圈之间产生相对运动，从而在线圈上感应出电压。图3给出了双压电晶片悬臂梁结构振动式发电模块的结构，双压电晶片悬臂梁结构振动式发电模块由基座、双压电晶片元件和质量块构成，其中双压电晶片元件由两压电晶片和夹层组成。

整个振动能供电装置由振动式压电或电磁发电机、电能变换装置和储能装置构成。其中，电能变换装置包括功率模块和控制模块，实施例1的功率模块包括整流器和DC/DC变换器。振动式发电机产生的交流电通过电力线连接到整流器进行整流转变为直流电，为了得到合适的电压，将整流器整流后的电能通过电力线输出到DC/DC变换器进行电压调整和变换，DC/DC变换器中功率开关器件通过控制模块调节开通和关断周期，以提高能量变换的效率。经过电能变换后的电能采用充电电池或超级电容器等储能装置存储，其作用是将电气设备运行时产生的电能存储起来，为无线传感器节点和控制模块提供能量。

图4为以采集电气设备运行中产生的热能为无线传感系统供电的实施例2。实施例2和实施例1的区别在于，采用温差发电模块为无线传感系统供电。目前温差发电模块大都是根据塞贝克效应制成的，即把两种特殊半导体材料的接合端置于高温，处于低温环境的另一端可得到电动势。针对电气设备温升不高的情况，需要选择适合于低温差区的热电材料。尽管目前温差发电模块的热电转化效率较低，然而，由于通常的电气设备发热面积大，将温差发电模块应用于电气设备上是可行的。

温差发电装置的结构如图4所示，由温差发电模块、电能变换装置和储能装置构成。温差发电模块通常是由N型和P型半导体制成的一个PN结组成，如图5所示。可将所述温差发电模块的加热端贴在电气设备发热部位，所述温差发电模块的发电端发出的电经电能变换后存储在储能装置里，为传感器节点供电。由于温差发电模块发出的电为直流电，因而电能变换装置无需整流模块，而仅采用DC/DC变换器直接为储能装置充电。为了提高能量转换的效率，其电能变换装置同样采用控制模块实现对DC/DC变换器中功率开关器件的开通和关断控制。需要注意的是，温差发电装置通常由多个温差发电器件串联和并联构成。为了使电源输出功率最大，还应该使得外加负载与温差发电器件相匹配。

实施例3为采集电气设备运行过程产生的漏磁能，为无线传感系统供电的实施例，与前两个实施例不同，实施例3中采用取能线圈作为取能器件。取能线圈安放在电气设备漏磁场比较集中的地方(比如变压器、电抗器线圈端部)。由于电气设备的漏磁场通常比较强，并且发散面积很大，并且漏磁场会在金属结构件中引起很大的损耗，因此，将漏磁场能量通过取能线圈提取出来为无线传感系统供电是可行的，并且有着很大的意义。

漏磁能发电装置由取能线圈、电能变换装置、储能装置三部分构成，如图6所示。取能线圈采用空心结构或带铁心的结构，如图7所示。传统的取能线圈一般需要穿越电流母线，在冲击电流下，会对电源的安全性提出考验。而从漏磁场中取能，则可以比较好地避免冲击电流的影响。将取能线圈安放在电气设备漏磁场比较集中的地方，一方面可以取能，另一方面还可以减少漏磁场在电气设备金属结构件中引起的损耗，起到节能的效果。由于漏磁发电模块产生的电为交流电，和振动发电类似，电能转换模块需要包括整流器和DC/DC变换器。为了提高能量转换的效率，同样采用控制模块实现对DC/DC变换器中功率开关器件的开通和关断控制。

虽然所述三个实施例讨论了利用电气设备在运行过程中产生的振动能、热能和漏磁能等杂散能量发电的方法，及其在电气设备状态监测中的应用，但应理解，本发明提及的利用杂散能为电气设备状态监测无线传感系统供电的技术路线不限于实施例中所述情形，因而在不背离本发明的技术原理的原则下，可做出各种改变和变形。

如以上实施例中提及的振动能发电系统的振动式发电机，可以采用压电、电磁、静电等结构。热能发电系统中的温差发电模块，也可以采用不同的结构和连接方式。漏磁能发电方式的取能线圈可以设计成各种形状的空心结构和带铁心结构。如以上实施例中提及的振动能、热能和漏磁能发电方式，可以单独采用或组合采用，为无线传感器节点供电。另外，为了更好地将发电模块发出的电能给储能装置充电，还可以添加必要的变压模块、稳压模块和充电电路模块。

Claims (6)

1.一种电气设备状态监测无线传感系统的杂散能供电方法，其特征在于，采用振动发电装置或温差发电装置或漏磁发电装置将电气设备在运行过程中自身产生的机械振动能或热能或漏磁能转换为电能，经电能变换模块对电能进行变换和调整，变换后的电能存储在可充电电池、电容器等储能装置中，为电气设备状态监测无线传感器节点供电。

2、应用权利要求1所述的杂散能供电方法的装置，其特征在于，所述装置包括杂散能量发电模块、电能变换模块和电能存储模块；杂散能量发电模块包括振动能发电装置或温差发电装置或漏磁发电装置；所述的电能变换模块包括功率模块和控制模块，用于对发电装置产生的电能进行调整和变换；所述电能变换模块中的控制模块包括传感器、滤波电路、控制器和光电隔离电路；传感器用于获得控制器所需的信号；控制器通过滤波电路与传感器相连，输出控制信号；控制信号经光电隔离电路，送至功率模块的功率开关器件的控制端；所述的电能存储模块用于存储电能。

3、如权利要求2所述的杂散能供电装置，其特征在于，所述的振动能发电装置采用悬臂梁结构的压电式发电机，或采用悬臂梁结构或弹簧结构的电磁式发电机；所述的电能变换模块中的功率模块包括整流器和DC/DC变换器，整流器和振动能发电装置的电能输出端子相连，DC/DC变换器和整流器相连接。

4、如权利要求2所述的杂散能供电装置，其特征在于，与所述的温差发电装置联合使用的所述电能变换装置中的功率模块无需整流器，仅包括DC/DC变换器。

5、如权利要求2所述的杂散能供电装置，其特征在于，所述的漏磁能发电装置采用空心或铁心式的取能线圈。

6、如权利要求2所述的杂散能供电装置，其特征在于，所述的杂散能量发电模块采用振动能发电装置或温差发电装置或漏磁发电装置三种发电装置中的一种或多种。

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