專利名稱：一種基于物聯(lián)網(wǎng)的能源回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器物聯(lián)網(wǎng)，特別是一種傳感器網(wǎng)絡(luò)的電力能源回收系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，微電子設(shè)備和傳感器等系統(tǒng)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已廣 泛應(yīng)用于市政、環(huán)保、電力、醫(yī)療、軍事、工業(yè)等行業(yè)。由于這些傳感設(shè)備大都需要電源，與國(guó) 家提倡的節(jié)能減排目標(biāo)相矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在針對(duì)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)明一種能夠在能源過剩的時(shí)候?qū)⑹占茉?的系統(tǒng)。為達(dá)上述發(fā)明目的，采取的技術(shù)手段是
整個(gè)系統(tǒng)由能源應(yīng)用部分、能源傳輸部分和能源感知部分三部分組成，能源應(yīng)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(dǎo)線，能源感知部分包括振動(dòng)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，并且與逆變器連接的能量板使用“組串”和“陣 列”結(jié)構(gòu)，具體是多個(gè)能量傳感器縱橫排列成單個(gè)能量板，然后多個(gè)能量板串聯(lián)成能量組 串，多個(gè)能量組串并聯(lián)成能量陣列。每個(gè)逆變器模塊連接一個(gè)能量陣列，逆變器由獨(dú)立的DSP (數(shù)字信號(hào)處理器，每個(gè) 模塊一個(gè))和一個(gè)CPU (中央微處理器)控制。DSP和CPU之間的通信采用CAN協(xié)議。模 塊之間的通信采用該相同的協(xié)議。該控制流程優(yōu)化整個(gè)裝置的性能水平，并在任何絕緣和 負(fù)載條件下表現(xiàn)出高效率，始終符合相應(yīng)的指示、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。所述的蓄能裝置是蓄電池電路，由于單個(gè)蓄電池的電壓與容量有限，在本系統(tǒng)中 采用串連蓄電池組來增加電壓和擴(kuò)大容量。本系統(tǒng)在充電電路中使用無損均充電路，目的 是延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。均充模塊啟動(dòng)后，過充的電池會(huì)將多余的 電量轉(zhuǎn)移到?jīng)]有充滿的電池中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)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(jiān)控。多節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組，各串聯(lián)電池都接有一個(gè)均衡旁路。能量傳輸部分是電纜，即通過電纜將應(yīng)用部分和感知部分連接在一起。感知部分是能源的產(chǎn)生部分，本系統(tǒng)采用壓電式和電磁式結(jié)合的方法。在能量密 度高，并且要求與微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)合使用壓電式能量回收的方法。在能量強(qiáng)度大，應(yīng) 用面積廣的應(yīng)用場(chǎng)合使用電磁式能量回收的方法。本系統(tǒng)采用的壓電式能量回收傳感器可 以在低頻環(huán)境下(小于100Hz)進(jìn)行能量采集。電磁式能量回收傳感器選用永久的雙極(馬蹄)磁鐵，并且將多個(gè)馬蹄磁鐵組成一 個(gè)磁場(chǎng)陣列。通過振動(dòng)，引起力矩的變化，使得磁場(chǎng)陣列中有切割磁力線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流。本系統(tǒng)可以應(yīng)用在道路照明、人流密集區(qū)一些物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，解決電力供給問題。它的有益效果是能夠?qū)⑾到y(tǒng)中多余的電能收集，通過逆變器送給電網(wǎng)和蓄電池，
3在能源不足的時(shí)候自動(dòng)使用蓄電池中的備用電池。這樣能夠有效的利用能源，達(dá)到節(jié)能的 目的。


圖1，本發(fā)明的能量陣列的組成結(jié)構(gòu)； 圖2，本發(fā)明的蓄能裝置電路圖3，本發(fā)明的電磁式能量回收傳感器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合

本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的系統(tǒng)主要由能量應(yīng)用部分、傳輸部分和感知部分構(gòu)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(gòu)成。能量應(yīng)用部分的構(gòu)成
如圖1，多個(gè)能量傳感器1安裝在一塊板上，構(gòu)成能量板2，多個(gè)能量板2串聯(lián)成能量組 串3，能量組串3并聯(lián)成能量陣列4。能量陣列4與Nb逆變器連接成能源感應(yīng)部分，逆變器由獨(dú)立的DSP (數(shù)字信號(hào)處 理器，每個(gè)模塊一個(gè))和一個(gè)CPU (中央微處理器)控制。DSP和CPU之間的通信采用CAN 協(xié)議。模塊之間的通信采用該相同的協(xié)議。該控制流程優(yōu)化整個(gè)裝置的性能水平，并在任 何絕緣和負(fù)載條件下表現(xiàn)出高效率，始終符合相應(yīng)的指示、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是，為系統(tǒng)通信提供兩個(gè)獨(dú)立的RS485串聯(lián)端口；一個(gè)通道用于用 戶通信，另一個(gè)用于組串匯線箱。系統(tǒng)內(nèi)部存在4個(gè)連接部分
(1)直流進(jìn)線通道
(2)AC功率連接銅牌
(3)電磁短路和安全開關(guān)
(4)輔助電源和信號(hào)連接端子排。本發(fā)明系統(tǒng)中采用蓄電池充放電。由于單個(gè)蓄電池的電壓與容量有限，在本系統(tǒng) 中采用串連蓄電池組來增加電壓和擴(kuò)大容量。本系統(tǒng)在充電電路中使用無損均充電路，目 的是延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。均充模塊啟動(dòng)后，過充的電池會(huì)將多余 的電量轉(zhuǎn)移到?jīng)]有充滿的電池中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)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(jiān)控。多節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組，各串聯(lián)電池都接有一個(gè)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(chǔ)能元件。Si、Li、Di構(gòu)成分流模 土夬 Ml、M2."MN0
在一個(gè)充電周期中，電路工作過程分為兩個(gè)階段電壓檢測(cè)階段(時(shí)間為Tv)和均充階 段(時(shí)間為Tc)。在電壓檢測(cè)階段，均衡旁路電路不工作，主電源對(duì)電池組充電，同時(shí)檢測(cè)電 池組中的單體電池電壓，并根據(jù)控制算法計(jì)算MOSFET的占空比。在均充階段，旁路中被觸 發(fā)的MOSFET由計(jì)算所得的占空比來控制開關(guān)狀態(tài)，對(duì)相應(yīng)的電池進(jìn)行均充處理。在這個(gè)階 段中，流經(jīng)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，由于二極管Di的單向?qū)ㄗ饔?，所有的分流模塊都會(huì)將多余的電量從相應(yīng)的電池轉(zhuǎn)移到 上游電池中，而Ml則把多余的電量轉(zhuǎn)移到下游的電池中。能量回收感應(yīng)部分的具體構(gòu)成
基于振動(dòng)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 法所用的采集設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且能量轉(zhuǎn)換效率低。本系統(tǒng)采用壓電式和電磁式結(jié)合的方 法。在能量密度高，并且要求與微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)合使用壓電式能量回收的方法。在 能量強(qiáng)度大，應(yīng)用面積廣的應(yīng)用場(chǎng)合使用電磁式能量回收的方法。本系統(tǒng)采用的壓電式能 量回收傳感器可以在低頻環(huán)境下(小于100Hz)進(jìn)行能量采集。電磁式能量回收傳感器選用永久的雙極(馬蹄)磁鐵，并且將多個(gè)馬蹄磁鐵組成一 個(gè)磁場(chǎng)陣列。通過振動(dòng)，引起力矩的變化，使得磁場(chǎng)陣列中有切割磁力線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流。 圖3中，200表示一個(gè)能量回收器，傳感器202由兩個(gè)磁層206和218構(gòu)成。210為導(dǎo)電層。 204磁場(chǎng)源是由永久磁鐵2 和2 組成，指示箭頭222和2M表示產(chǎn)生的磁場(chǎng)的磁極方 向。封閉的枷鎖234位于2 和2 永久磁鐵外的隙縫處，封閉的枷鎖208位于206和218 永久磁鐵外的隙縫處，這兩個(gè)枷鎖用來固定兩組磁鐵。在回收器振動(dòng)時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)磁化在磁 性層206和218帶來活性磁力，傳輸?shù)酱判詥卧?16，然后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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、壓電復(fù)合材料、玻璃陶瓷和弛豫電單晶等，其 中，壓電陶瓷具有優(yōu)異的壓電性能，應(yīng)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(yīng)性，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上，比一般晶體要好得多，并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(xué)成分組成或添加雜質(zhì)改變其各方面的性能，以適應(yīng)各種不同的用 途。壓電陶瓷中的PZT -5具有高機(jī)電耦合系數(shù)、高壓電應(yīng)變常數(shù)和高電阻率，各機(jī)電參數(shù) 具有良好的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，適合作為壓電振動(dòng)微型發(fā)電機(jī)的換能元件材料。本系統(tǒng)中選用的壓電陶瓷，利用壓電陶瓷的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換壓電 換能器的理論基礎(chǔ)是壓電參數(shù)和壓電方程，通過壓電參數(shù)的匹配和壓電方程的計(jì)算，能夠 優(yōu)化換能器的機(jī)械模型。壓電方程是描述晶體的力學(xué)量及電學(xué)量的相互關(guān)系的表達(dá)式。實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng) 采用d型壓電方程
{S} = [SE ]{T} + [COt {Ε} {D} = [d] {Τ} + [ ε τ] {Ε}
式中{ S}為六維應(yīng)變矢量；{ Τ}為應(yīng)力矢量；{D }為三維電位移；{ Ε}為電場(chǎng)強(qiáng)度； [Se ]為6X6維的常電場(chǎng)估計(jì)的伴隨矩陣；[d ]為3X6維壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣；[ετ]為 3X3維常壓力估計(jì)的介電常數(shù)矩陣。為使發(fā)電裝置在較小的激勵(lì)強(qiáng)度、較寬的頻率范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的發(fā)電能力，系統(tǒng) 采用多片壓電振子發(fā)電，其聯(lián)接方式采用并聯(lián)方式。并聯(lián)接法的輸出電流大，時(shí)間常數(shù)大。壓電陶瓷發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能相對(duì)較小，還不能直接為大部分電路提供驅(qū)動(dòng)能 量，因此，必須進(jìn)行電量的積累，才能使壓電換能器產(chǎn)生的電量能夠?yàn)殡娮釉O(shè)備提供能量。 為了保證壓電換能器產(chǎn)生的電能高效地傳輸給外設(shè)，還需對(duì)輸出端電路進(jìn)行負(fù)載匹配。如圖2所示，通過合理的電路匹配設(shè)計(jì)，電量最終存儲(chǔ)在電容C3中。D3為穩(wěn)壓二極管，其作用 是穩(wěn)定Cl和C2的并聯(lián)電壓，防止過高電壓損壞DC /DC轉(zhuǎn)換器。
權(quán)利要求
1.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的能源回收系統(tǒng)，其特征是由能源應(yīng)用部分、能源傳輸部分和能 源感知部分三部分組成，能源應(yīng)用部分包括蓄能裝置和逆變器，能源傳輸部分包括電力導(dǎo) 線，能源感知部分包括振動(dòng)傳感器、壓電傳感器、能量收集器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是所述逆變器使用的是Nb逆變器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是與逆變器連接的能量板使用“組串”和“陣 列”結(jié)構(gòu)，具體是多個(gè)能量傳感器(1)縱橫排列成單個(gè)能量板(2)，然后多個(gè)能量板(2)串聯(lián) 成能量組串(3)，多個(gè)能量組串并聯(lián)成能量陣列(4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是所述逆變器由獨(dú)立的DSP和一個(gè)CPU控制， DSP和CPU之間的通信采用CAN協(xié)議，模塊之間的通信采用該相同的協(xié)議。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是所述的蓄能裝置是蓄電池電路，多節(jié)電池串 聯(lián)組成的電池組，各串聯(lián)電池都接有一個(gè)均衡旁路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征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，并且將多個(gè)馬蹄磁鐵組成一個(gè)磁場(chǎng)陣列。
全文摘要
一種基于物聯(lián)網(wǎng)的能源回收系統(tǒng)，涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)的電力收集，其特征是由能源應(yīng)用部分、能源傳輸部分和能源感知部分三部分組成，能源應(yīng)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(dǎo)線，能源感知部分包括振動(dòng)傳感器、壓電傳感器、能量收集器。本發(fā)明系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中多余的電能收集，通過逆變器送給電網(wǎng)和蓄電池，在能源不足的時(shí)候自動(dòng)使用蓄電池中的備用電池。能夠有效的利用能源，達(dá)到節(jié)能的目的。
文檔編號(hào)H02J7/32GK102097822SQ20101060063
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者向禮杰, 席長(zhǎng)甫, 王文升 申請(qǐng)人:江蘇豐聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司