面向自供电传感节点的风能收集器研究

摘要

南水北调是我国的一项重大战略工程。为了保证水质和堤坝的安全，需在堤坝周围建立起基于振动、倾角等无线传感节点的电子围栏。然而如何在无人无源区对众多分布广泛的节点进行供电是一项难题。收集风能给无线传感节点供电是解决能源供给问题的有效方式。目前，面向无线传感节点供电的风能收集器，通常要求体积小、功率输出高。已有的微型振动式风能收集器通常体积可以满足要求，但共振频率高、输出电压小。而旋转式风能收集器虽然功率输出高，但通常体积大、结构复杂。
　　鉴于此，本文针对堤坝安防电子围栏上不同无线传感节点的供电需求，设计研发了叶片振动式复合发电和涡轮旋转式电磁发电两类风能收集器。叶片振动式复合风能收集器采用简单的叶片-悬臂梁结构，分别基于颤振效应和卡门涡街原理在风中发生振动，能够突破悬臂梁共振频率的限制，提高其振幅和电压输出。同时，利用摩擦和压电复合发电的方式，提高了装置的体积功率密度。该器件适用于低功耗温、湿度传感节点的供电。涡轮旋转式电磁风能收集器利用扩散通道提高涡轮的转速，取代了传统的齿轮增速机构，在保持高功率输出的同时结构得到简化。该器件适用于振动、倾角传感节点的供电。同时，本文基于涡轮旋转式风能收集器设计了一套自供电倾角传感系统，可用于堤坝围栏状态的在线监测。本文的主要研究内容如下：
　　(1)针对微型振动式风能收集器振幅小，输出电压低的问题，设计了一种双叶片振动式复合风能收集器。利用叶片结构增大悬臂梁的振幅，在压电和摩擦两部分同时产生电能输出。通过实验对叶片的尺寸和连接方式进行优化。测试结果表明，相比于已有的微小型振动式风能收集器，该风能收集器的振幅和电压输出均得到明显提高。
　　(2)针对双叶片振动式复合风能收集器的结构缺陷，设计了一种单叶片振动式复合风能收集器。通过对叶片形状的优化和结构框的双弧形设计，增强了装置的稳定性和功率输出。对单叶片振动式复合风能收集器的振动原理进行理论研究和FLUENT仿真分析。改进后，风能收集器的输出功率得到进一步提升，在10m/s的风速下，摩擦和压电两部分的输出功率密度分别为748μW/cm3和8.57μW/cm3，优于已有的微型振动式风能收集器，能够满足低功耗温、湿度传感节点的供电需求。
　　(3)为了进一步提升风能收集器的功率输出，设计了一种结构简单的涡轮旋转式电磁风能收集器。利用扩散通道增加气流速度，提升发电模块的功率输出。对扩散通道的工作原理进行了理论和仿真研究，并根据仿真结果确定涡轮装配的最佳位置。通过实验对涡轮的形状和尺寸进行优化。该装置10m/s风速下的最大输出功率为10.5mW，能够满足功耗较高的倾角、振动传感节点的供电需求。
　　(4)针对南水北调工程中对围栏状态监测的需求，搭建了基于涡轮旋转式电磁风能收集器供电的倾角传感系统。基于STC89C52RC单片机设计了倾角传感节点和数据接收、报警模块。设计了高效的能量管理电路，有效实现了风能收集器对倾角传感节点的间接性供电。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.2振动式能量收集器

1.3风能收集器的国内外研究现状

1.4本文的主要研究内容和论文框架

第二章 一种双叶片振动式复合风能收集器

2.1 双叶片风能收集器的结构设计和制备

2.2 双叶片风能收集器的发电原理与仿真建模

2.3 双叶片风能收集器的性能测试

2.4本章小结

第三章 一种单叶片振动式复合风能收集器

3.1 单叶片风能收集器的结构设计和制备

3.2 单叶片风能收集器的振动原理与仿真建模

3.3 单叶片风能收集器的发电原理

3.4 单叶片风能收集器的性能测试

3.5本章小结

第四章 一种涡轮旋转式电磁风能收集器

4.1 涡轮式风能收集器的结构设计和制备

4.2 涡轮式风能收集器的发电原理与仿真建模

4.3 涡轮式风能收集器的性能测试

4.4振动式和涡轮式风能收集器的对比分析

4.5本章小结

第五章 基于TR-MH的自供电传感系统搭建和测试

5.1无线倾角传感器节点的设计

5.2能量管理电路设计

5.3自供电倾角传感系统的测试

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

致谢