水体监测无线传感器网络的波浪能供电装置研究

摘要

新能源和可再生能源的开发利用已成为各国21世纪能源可持续发展战略的重要选择。波浪能作为一种无污染的可再生能源,逐渐受到重视,越来越多的波能转换装置应用于实践(例如水质监测)。波能发电是波能的主要应用之一,开发利用技术已趋于成熟,正处于向商业化努力发展阶段。
　　 本文分析了波浪能发电的发展概况,对波浪能供电系统的研究热点、当前存在的问题以及设计过程进行了说明。本文主要工作如下:
　　 (1)通过对现有微型波浪能供电装置的考查,设计了微型电磁感应发电装置。实现了从波浪能到机械能,再到电能的转换。此外,还测量了JN5139模块正常工作状态下的功耗情况,为波浪能供电装置实物的设计提供了理论依据。
　　 (2)根据波浪能装置的结构形式、工作原理、现有微型波浪能供电装置的现状以及实际监测环境的气候状况,确定装置浮子类型为漂浮式、机械式；设计了AC-DC、DC—DC转换电路,稳压电路,以实现将产生的交流电转换为直流电,完成对无线传感器节点的供电；设计了蓄能装置,将有限的且不稳定的电能存储收集,有利于保证无线传感器网络系统正常工作时的稳定。
　　 (3)根据长三角地区气候状况,搭建了流体实验室测试平台,并在不同风力参数下进行实验,测试了装置的发电量、发电效率、充满电池所需时间等参数。
　　 (4)根据装置的发电量及转换效率,调整了影响装置性能的参数值。通过增大电磁线圈匝数,增大浮板面积,对装置进行了优化,使波浪能供电装置在转换效率、可靠性上有了较明显的改善。
　　 (5)制作了波浪能供电装置实物。
　　 本文的微型波浪能供电装置能够实现基本的供电功能,为延长无线传感器节点的生命周期提供了新思路、新方法。该装置属于微型供电系统在水体环境的应用,不论是为水质监测管理、无线传感器网络技术本身的发展,还是作为今后物联网发展的一部分,都具有重要的意义。鉴于波浪能利用在成本及其技术方面仍难以和常规能源相竞争,在近期内还不能得到广泛推广,但在某些不便利用常规能源的地区,有其特有的优越性和生命力。随着关键技术的逐步解决,波浪发电将会在世界能源结构中占据重要位置。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 水波发电现状

1.3 本文的主要内容和结构

第二章 无线传感器网络节点能耗分析

2.1 无线传感器网络体系及节点结构

2.2 节点能耗分析

2.2.1 节点芯片JN5139

2.2.2 GPRS模块

2.2.3 节点能耗实验

2.3 本章小结

第三章 波浪能发电基本原理

3.1 波浪供电概论

3.1.1 波浪能简介

3.1.2 机械波理论

3.1.3 波能分析

3.2 机械波波动方程

3.3 波动方程和波的能量

3.3.1 一维波动方程

3.3.2 波的能量

3.3.3 波的能流和能流密度

3.4 本章小结

第四章 无线传感器节点波浪能供电装置

4.1 波浪能装置的分类及优缺点

4.2 浮子几何形状对装置采集能量的影响

4.2.1 浮子几何形状与附加质量的关系

4.2.2 浮子几何形状与水截面积的关系

4.2.3 浮子几何形状与波浪力振幅的关系

4.3 微型波浪能供电装置原理

4.3.1 齿条式水波发电机方案

4.3.2 浮子式水波发电机方案

4.3.3 结果分析及方案比较

4.3.4 水波发电风力分析

4.4 本章小结

第五章 电源转换和充放电保护

5.1 AC-DC转换电路

5.2 集成稳压电路

5.3 DC-DC转换电路

5.3.1 DC-DC转换方案选择

5.3.2 LM317稳压器

5.4 蓄电池选型

5.4.1 铅酸蓄电池的充电方式

5.4.2 过充电及过放电保护

5.5 波浪发电装置实验

5.5.1 蓄电池充电实验

5.5.2 实物制作与封装

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文和科研情况