基于變電站電場能量的電容式集能轉換裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于變電站電場能量的電容式集能轉換裝置，包括一個電容式集能轉換器和一個電子調理電路，所述電容式集能轉換器包括上下兩極板和若干絕緣支柱，上極板為半球狀殼體，下極板為一圓形平板，上極板的半球殼空心腔與下極板相對應，且上極板的半球殼平面與下極板相互平行，上、下極板之間通過三個絕緣支柱相連，上、下極板分別引出一根導線連接到電子調理電路上；所述電子調理電路包括依次相連的整流電路、存儲電路和穩(wěn)壓反饋電路。該裝置將高壓變電站內豐富的電場能量轉換為電能供給無線傳感器網絡，從而從根本上解決無線傳感器網絡的能量供給難題。
【專利說明】基于變電站電場能量的電容式集能轉換裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應用于高壓變電站的集能轉換技術，特別是一種基于變電站電場能量的電容式集能轉換裝置。
【背景技術】
[0002]隨著社會經濟的發(fā)展，能源短缺問題日益嚴峻、機構性矛盾日益突出，電力工業(yè)也面臨著深刻的變革一智能電網成為未來電力工業(yè)發(fā)展的核心內容。智能電網的核心內涵是在電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)實現新型信息與通訊技術的集成，其中對系統(tǒng)狀態(tài)進行實時監(jiān)測的傳感測量技術是智能電網最重要的技術基礎。由大量分布式傳感器節(jié)點組成的實時監(jiān)測網絡一一無線傳感器網絡，能同時滿足傳感測量技術和通訊技術的要求，不僅適用于環(huán)境條件復雜苛刻、布線困難的工業(yè)環(huán)境，而且也適用于測量點多、范圍分散場合的低壓抄表等電力工業(yè)應用場合。無線傳感器網絡是智能電網高級量測體系的重要組成部分，已成為當今工業(yè)界和學術界的研究熱點。
[0003]無線傳感器網絡具有成本低、功耗小、實時性好、適應苛刻環(huán)境等突出優(yōu)點，是未來傳感器技術的發(fā)展方向，但是其能量供給問題成為制約其進一步發(fā)展的主要因素。無線傳感器通常采用自帶電池的供電方式，盡管電池的儲能密度和使用壽命不斷提高，但仍存在諸如供能壽命有限、需重復充電、體積與質量較大等供能缺陷，并不能完全滿足無線傳感器網絡的發(fā)展要求。
[0004]集能轉換技術是近年來提出的一種能從根本上解決無線傳感器網絡節(jié)點供能問題的方法，是一種通過收集周圍環(huán)境中其他形式的能量(光能、振動能、熱能、聲能、電磁能等)并將其轉換成電能，為傳感器及其它電子設備提供安全、穩(wěn)定、高效、理論上無壽命限制的電能供給技術?；诠饽艿募苻D換技術受時間、天氣等環(huán)境因素影響較大，限制了該技術的使用，雖然變電站內電氣設備振動較大，但振動收集裝置需與振動源緊密連接，出于絕緣或安全考慮，限制了其在變電站內的應用，基于溫差和聲能等集能技術因能量源較低也無法滿足變電站內無線傳感器網絡的供能要求。
[0005]高壓變電站內電磁能量豐富，500kV變電站實測數據表明其最大電場能量甚至可以高達18kV/m，豐富的電場能量為電容式集能轉換技術提供了應用基礎。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種基于變電站電場能量的電容式集能轉換裝置，該裝置將高壓變電站內豐富的電場能量轉換為電能供給無線傳感器網絡，從而從根本上解決無線傳感器網絡的能量供給難題。
[0007]為實現上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
[0008]一種基于變電站電場能量的電容式集能轉換裝置，包括一個電容式集能轉換器和一個電子調理電路，所述電容式集能轉換器包括上下兩極板和若干絕緣支柱，上極板為半球狀殼體，下極板為一圓形平板，上極板的半球殼空心腔與下極板相對應，且上極板的半球殼平面與下極板相互平行，上、下極板之間通過三個絕緣支柱相連，上、下極板分別引出一根導線連接到電子調理電路上；所述電子調理電路包括依次相連的整流電路、存儲電路和穩(wěn)壓反饋電路。
[0009]所述上極板為304不銹鋼材質的半球殼,下極板為HPb-62黃銅圓板。
[0010]所述上、下極板的半徑均為200mm。
[0011]所述下極板厚度為2.5mm。
[0012]所述上極板的厚度大于下極板厚度。
[0013]所述上極板的半球殼的外緣設置一邊緣，邊緣上均布有若干與絕緣支柱對應的鉆孔。
[0014]所述絕緣支柱為尼龍材質，高度為200mm。
[0015]所述絕緣支柱設置有三根。
[0016]所述整流電路為二極管單相整流橋，存儲電路采用超級電容器，穩(wěn)壓反饋電路采用基于BQ25504的電子調理電路。
[0017]所述二極管單相整流橋的二極管類型為1N4001，超級電容采用16V/1F鋁電解電容，超級電容后接P6KE15CA穩(wěn)壓二極管，P6KE15CA穩(wěn)壓二極管后接基于納瓦級微功耗芯片BQ25504組成的穩(wěn)壓反饋電路，穩(wěn)壓反饋電路輸出有兩路，一路接3V可充電電池，一路接無線傳感器網絡供給能量。
[0018]穩(wěn)壓反饋電路輸出有兩路，其設計目的在于無線傳感器網絡工作時期分為發(fā)射期和休眠期，主要功耗在于發(fā)射期，并且無線傳感器網絡的主要工作時期都為休眠期。采用兩路輸出的目的在于當無線傳感器網絡處于休眠期時，集能轉換裝置收集的能量較為充足可將能量存儲于可充電電池中，當無線傳感器網絡處于發(fā)射期時，其功耗較大，此時若集能轉換裝置收集能量不足以滿足其發(fā)射能量需求時，可充電電池可以發(fā)揮作用，保證無線傳感器網絡的高效、安全、可靠的工作。
[0019]主要原理如下:
[0020]高壓變電站內高壓設備眾多，特別是變壓器高壓出線端子以及高壓母線上電壓較高，其周圍必然會形成很強的工頻強場，因此變電站內電場能量豐富且電場方向也較為復雜。置于工頻強電場中的電容式集能轉換器，根據靜電感應原理，兩金屬電極板上將出現感應電荷，金屬電極板之間產生電勢差，且電勢差隨外部電場的變化而變化。當外部電場為工頻電場時，金屬極板兩端將產生工頻電動勢，可視為交流電壓源，實現了電場能到電能的轉換。當電容式集能轉換器后接調理電路后，通過整流、存儲、穩(wěn)壓等措施，將電容式集能轉換器收集到的電能存儲于超級電容器或電池等儲能設備中，為無線傳感器負載供電。
[0021]電容式集能轉換器作為電場能收集的關鍵部件，決定了一定外電場條件下感應電荷與收集能量的多少，電容式集能轉換器拓撲結構以及安放位置等都對集能效率有較大影響。變電站內電場能量較為復雜，方向可能來自于各個方向，因此本專利提出了半球型的集能拓撲結構可以充分利用變電站內的電場能量。集能轉換裝置的另一關鍵技術是電能調理與存儲方法。這里需要將電容式集能轉換器的輸出電壓調理為無線傳感器正常工作所要求的標準輸出電壓，該技術涉及整流、斬波、電能存儲、穩(wěn)壓輸出等幾部分的綜合協(xié)調作用。利用空間電場能收集到的電能一般是有限的，而過于繁復的調理電路設計將會消耗相當多的能量，直接影響集能效率，因此本專利提出并設計了微功耗的電能調理電路。[0022]本發(fā)明的有益效果是，該電容式集能轉換裝置結構簡單，運行安全可靠，具有理論上無限的使用壽命，能夠充分利用高壓變電站內豐富的電場能量，無需更改變電站內電氣設備以及線路布局，無需附加電源，人工維護費用大大降低，研制成本較其他集能轉換技術低廉。該裝置在正常工作狀態(tài)下對系統(tǒng)沒有影響，應用場合不受天氣、氣候等環(huán)境因素影響，在未來智能電網以及智能化變電站中具有廣闊的應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)原理圖；
[0024]圖2是電容式集能轉換器上極板正視圖；
[0025]圖3是電容式集能轉換器上極板俯視圖；
[0026]圖4是電容式集能轉換器下極板俯視圖；
[0027]圖5是容式集能轉換裝置的調理電路原理圖；
[0028]圖6是容式集能轉換裝置的調理電路仿真圖；
[0029]其中1.上極板，2.下極板，3.絕緣支柱。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0031]圖1、圖2和圖3所示，根據圖上標注的尺寸設計電容集能轉換器的半球型上極板I，在其中半球型上極板I的半徑為20cm,采用304不銹鋼材質制成,厚度為0.4mm,為便于三根絕緣支柱3將上、下極板1、2進行支撐加固，在上極板半球型結構的外緣增加一邊緣，外緣半徑為21.2cm，外緣不銹鋼上均勻分布3個直徑8.5mm的鉆孔，并用M8螺母以固定絕緣支柱3。圖4為電容式集能轉換器的下極板俯視圖，按此圖上標注的尺寸進行設計，采用HPb-62黃銅材質,厚度為2.5mm。下極板2的厚度要明顯高于上極板I的原因有二:一是上極板半球型結構采用厚度較薄的材質更易加工，二是下極板2厚度增加，質量明顯增加，將這個集能轉換器的重心降低可以有效的提高裝置的穩(wěn)定度。
[0032]圖5所示為電容式集能轉換裝置的調理電路原理圖，從圖中可以看到該電路可以分為三大部分:整流、存儲和穩(wěn)壓反饋電路。其中整流電路采用的是1N4001 二極管組成的單相整流橋，存儲電容采用16V/1F的鋁電解電容器接到Ustore接線柱上，可以將集能轉換器兩端的電荷收集起來，存儲在電容上。電容后端接P6KE15CA雙向穩(wěn)壓二極管，其目的為防止儲能電容兩端電壓過高而引發(fā)危險，該雙向穩(wěn)壓管的最大功率可達500W，而前端電容式集能轉換器收集的功率非常小，完全達不到二極管的最大功率，滿足電路設計需求。穩(wěn)壓反饋電路中采用基于納瓦級微功耗芯片BQ25504組成的穩(wěn)壓電路，電路的輸出采用兩路輸出，一路接3V可充電電池，一路接無線傳感器網絡。其中采用儲能電池作為整個電路的備用電源。當無線傳感器網路處于休眠狀態(tài)時，其功耗非常低，電容式集能轉換裝置收集的能量可以暫時存儲在儲能電池上；當無線傳感器網絡處于發(fā)射狀態(tài)時，其功耗增加，此時如果電容式集能轉換裝置收集的能量不足以滿足電路工作時，儲能電池將發(fā)揮作用。這種電路設計可以保證整個系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。該調理電路的特點是功耗低，能量收集能力突出，當電容集能轉換器輸送到儲能電容兩端的電壓高于330mV時，電路便開始啟動工作。[0033]對圖5所示的電容式集能轉換裝置調理電路原理圖搭建仿真模型，可以得到圖6所示的仿真結果。從仿真結果中可以看到，該調理電路可以穩(wěn)定工作。電路的輸出電壓Uout可以穩(wěn)定在3.1V左右，存儲電池的電壓也最終穩(wěn)定在3.1V左右，而輸入電壓Uin在達到330mV時電路即可啟動工作，電路響應時間很短，并且輸入電壓Uin始終保持在較低的電壓值下電路便可穩(wěn)定工作。從仿真結果中可以看到，當外部輸入能量較為充足時，輸出電路將為電池存儲能量，Ubat兩端的電壓也不斷緩慢升高，當高于3.1V時將開始為儲能電池充電，電路的輸出電壓Uout基本穩(wěn)定在3V左右，電路的穩(wěn)壓效果非常明顯，可以滿足集能轉換的電能調理要求。
[0034]上述雖然結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。
【權利要求】
1.一種基于變電站電場能量的電容式集能轉換裝置，其特征是，包括一個電容式集能轉換器和一個電子調理電路，所述電容式集能轉換器包括上下兩極板和若干絕緣支柱，上極板為半球狀殼體，下極板為一圓形平板，上極板的半球殼空心腔與下極板相對應，且上極板的半球殼平面與下極板相互平行，上、下極板之間通過三個絕緣支柱相連，上、下極板分別引出一根導線連接到電子調理電路上；所述電子調理電路包括依次相連的整流電路、存儲電路和穩(wěn)壓反饋電路。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征是，所述上極板為304不銹鋼材質的半球殼，下極板為HPb-62黃銅圓板。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特征是，所述上、下極板的半徑均為200mm。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征是，所述下極板厚度為2.5mm。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征是，所述上極板的厚度大于下極板厚度。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征是，所述上極板的半球殼的外緣設置一邊緣，邊緣上均布有若干與絕緣支柱對應的鉆孔。
7.如權利要求1所述的裝置，其特征是，所述絕緣支柱為尼龍材質，高度為200_。
8.如權利要求1或7所述的裝置，其特征是，所述絕緣支柱設置有三根。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征是，所述整流電路為二極管單相整流橋，存儲電路采用超級電容器，穩(wěn)壓反饋電路采用基于BQ25504的電子調理電路。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征是，所述二極管單相整流橋的二極管類型為1N4001，超級電容采用16V/1F鋁電解電容，超級電容后接P6KE15CA穩(wěn)壓二極管，P6KE15CA穩(wěn)壓二極管后接基于納瓦級微功耗芯片BQ25504組成的穩(wěn)壓反饋電路，穩(wěn)壓反饋電路輸出有兩路，一路接3V可充電電池，一路接無線傳感器網絡供給能量。
【文檔編號】H02J7/00GK103475260SQ201310430720
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月18日 優(yōu)先權日:2013年9月18日
【發(fā)明者】李宏偉 申請人:國家電網公司, 國網技術學院