关键词：
微能源收集
摩擦纳米发电机
复合发电机
电源管理电路
输电线路状态监测
摘要：
随着电力系统的发展和智能化需求的增加,输电线路状态监测技术变得至关重要。然而,在高压输电线路中,由于地理和绝缘条件限制,无法直接为状态监测传感器供电,所以如何为输电线监测设备供电成为了一项关键挑战。目前多采用电流互感器、有源电池和太阳能等方式为传感器供电,但供电方式单一、易受天气和气候等因素影响,无法满足野外复杂的环境变化。探索新型复合自供电技术是解决分布式传感器供电的重要途径。摩擦纳米发电机是新兴的环境能量收集技术,可收集环境中的各类机械动能,具有材料选择广泛、制造简单和成本低等优势。因此,为充分收集环境中的分布式能量,本工作开展面向输电线路状态监测复合发电机的研究,采取光伏-摩擦复合发电方式,通过输电线环境的能量收集,可实现智能监测设备的自供电和监测数据的无线传输,为输电线的安全稳定运行提供重要保障。
首先,在输电线场景下开展复合发电机的机电耦合动力学系统非线性振动理论研究,建立机电耦合动力学系统强迫振动理论模型和电学系统的等效电路理论模型,并探究关键参数的影响机理。一方面,针对输电线中摩擦纳米发电机能量收集时的振动问题,通过建立接触分离模式摩擦纳米发电机的悬臂梁模型,研究非线性振动能量收集和传递过程的解析方法,推导了输电线的统一振动方程,并构建了以最大输出功率为目标函数的数学优化模型。另一方面,从麦克斯韦方程组出发,建立垂直接触分离模式和独立层模式摩擦纳米发电机的物理模型,建立自触发功能的高增益放大电学模型,并对电学系统进行理论建模和原理分析,研究影响能量转换效率的主要因素。
其次,确定光伏-摩擦复合发电机的设计方案,设计旋转、振动摩擦纳米发电机和光伏发电机的机械结构,建立风能、振动能和太阳能收集之间的耦合关系,构建机械结构和硬件电路系统,并不断优化装置的设计参量,提高能量转换效率。针对旋转、振动摩擦纳米发电机,设计整流-储能滤波-自触发模块-降压稳压电源管理电路,其中自触发功能高增益放大的电学设计模型可以实现前后级阻抗匹配和输出能量转化效率提高,可将输出电流瞬时值提高21.9倍;摩擦纳米发电机的电源管理电路输出与光伏发电机电源通过多源管理电路进行整合,为后续用电设备提供稳定电能,并实现前后级电路的电气隔离与能量的高效传递;通过理论研究、仿真分析等方法优化机械结构和硬件电路的设计参数,为后续样机制作等环节的顺利开展奠定了基础。
然后,研制复合发电机的物理原型样机,并搭建测试实验平台,测试各机械模块的输出特性和各电学模块的基本性能。通过对摩擦纳米发电结构、光伏发电结构和电源管理电路的实物制作和集成,完成光伏-摩擦复合发电机的研制。搭建实验系统测试平台,通过全面的系统性实验,对复合能量采集器的开路电压、短路电流以及带载条件下的功率输出等电学参数进行测试,实现旋转摩擦纳米发电机转化效率提升约1.1%、振动摩擦纳米发电机转化效率提升约0.4%,并对电源管理电路后端输出信号进行测试,将采集到实验数据进行处理和分析,实现系统关键参数的优化,提高复合发电机的输出性能。
最后,基于面向输电线路状态监测的光伏-摩擦复合发电机,搭建输电线实验平台,进行其在输电线路中的应用研究。将旋转摩擦纳米发电机、振动摩擦纳米发电机、光伏发电机以及各电学模块进行集成,在输电线实验平台进行应用测试。实验表明,集成的复合发电机可点亮LED灯板且可驱动温湿度传感器稳定工作。此外,创建输电线路运行系统模拟真实的输电线路环境,将光伏-摩擦复合发电机进行模拟挂网测试,试验表明本系统可以很好实现输电线状态监测并具备良好稳定性,在有无光照的天气条件下均能够准确地监测输电线路的状态信息。
本文对复合发电机的理论分析、设计和仿真、研制和实验以及应用进行研究,并对光伏-摩擦复合发电机在输电线路状态监测中的应用进行深入探讨,与传统监测系统相比,光伏-摩擦复合发电机具有更高的实时性和可靠性,样机整体的平均输出功率在5 m W以上,纹波系数控制在约1.9%,能够更好地满足电力系统对状态监测的需求,为提高电力系统的安全稳定运行提供了新的思路和方法,推动输电线路状态监测和物联网设备的发展。
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