基于空间电磁能的无线传感器自供能系统及自供能方法.pdf

本发明涉及一种基于空间电磁能的无线传感器自供能系统，包括电场能量收集装置、磁场能量收集装置和电能调理单元，电场能量收集装置和磁场能量收集装置通过导线分别与电能调理单元连接。同时本发明还公开了一种基于空间电磁能的无线传感器自供能系统的自供能方法，包括以下步骤：A.电场能收集；B.整流；C.存储；D.输出；E.磁能收集。本发明的有益效果为：原理简单，实现方便，充分利用了高压变电站中电磁能量丰富的固有优势，可有效解决无线传感器节点的能量供给瓶颈问题。据此方法设计的自供能装置，结构简单，体积适中，安装方便，稳定高效，经济实用，对推广无线传感器网络技术和实现变电站综合自动化具有重大意义。

1.  一种基于空间电磁能的无线传感器自供能系统，其特征在于，包括电场能量收集装置、磁场能量收集装置和电能调理单元，电场能量收集装置和磁场能量收集装置通过导线分别与电能调理单元连接。

2.  根据权利要求1所述的基于空间电磁能的无线传感器自供能系统，其特征在于，所述电场能量收集装置为球形收集电容，其包括上下两个金属半球壳，上下两个金属半球壳之间设有绝缘介质层，上下两个金属半球壳内通过一高频开关连接。

3.  根据权利要求1所述的基于空间电磁能的无线传感器自供能系统，其特征在于，所述磁场能量收集装置为磁能收集感应环，其由若干个相同圆环按一定空间角度均匀交叉排列成球形，每个圆环皆由若干匝导线缠绕而成。

4.  根据权利要求1所述的基于空间电磁能的无线传感器自供能系统，其特征在于，所述电能调理单元包括依次连接的整流电路、存储电路和稳压输出电路，整流电路为四个二极管组成的桥式整流电路，用一个超级电容器实现存储电路的存储功能，通过现有的可编程稳压电路可实现2～5伏的稳定电压输出。

5.  根据权利要求1所述的基于空间电磁能的无线传感器自供能系统，其特征在于，所述电能调理单元和电场能量收集装置设置于磁场能量收集装置内。

6.  根据权利要求1所述的基于空间电磁能的无线传感器自供能系统的自供能方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.电场能收集，利用电场能量收集装置即球形收集电容在空间电场内将电场能转化电能；
B.整流，将从球形收集电容得到的波形较差的电流调理为符合要求的波形；
C.存储，将整流后的电流存储到存储电路中以方便无线传感器使用；
D.输出，将存储电路中的电流通过稳压输出电路为无线传感器提供工作所需电压；
E.磁能收集，因磁能相对较弱，转化的电能有限，作为辅助能量源接入存储电路。

7.  根据权利要求6所述的基于空间电磁能的无线传感器自供能系统的自供能方法，其特征在于，所述步骤A中电场能收集，当球形收集电容中的高频开关断开时，根据电磁感应原理，由上下两个金属半球壳组成的两金属电极板之间将出现电压差，两金属电极板上出现感应电荷；开关闭合时两金属电极板短路，将产生一个短路脉冲电流，一旦感应电荷都随着脉冲短路电流传导出去，两金属电极板之间电压差为零；结束两金属电极板短路，电压差出现，两金属电极板上将会感应出新的电荷可供提取；以较高的频率重复上述过程，就可得到由电场能量转化而来的间歇电流，实现了电场能到电能的简单转化。

8.  根据权利要求6所述的基于空间电磁能的无线传感器自供能系统的自供能方法，其特征在于，所述步骤E中磁能收集的收集方法类似于天线接受电磁波，根据电磁感应定律，当磁能收集感应环中的线圈交链空间磁通变化时，线圈中将感生电动势，同球形电容一样，通过在线圈的两出线端设置高频开关，开关闭合时由于感应电动势的存在而产生电流，实现磁能到电能的转化；磁能收集感应环的各圆环位置按一定空间角度交叉排列，利于收集来自各个方向的高频磁场，从而尽可能多地收集磁场能量。

基于空间电磁能的无线传感器自供能系统及自供能方法
技术领域
本发明涉及一种应用于无线传感器的自供能系统及方法，尤其是一种基于空间电磁能的无线传感器自供能系统及自供能方法。
背景技术
目前无线传感器网络是由大量分布式传感器节点组成的面向目标信息的实时监测网络，其最突出优点是传感节点占用空间小和无线数据传输方式，特别适用于环境条件复杂苛刻、布线困难的工业环境，被认为是未来传感器技术的发展方向。然而，无线传感器技术并未像人们当初预想的那样快速市场化，其中非常关键的一个制约瓶颈便是能量供给问题。
为解决无线传感器的供能问题，人们研究了许多方法：①增加电池的储能密度，但电池储能总有一定限度，因此供能寿命有限，需重复充电，体积与质量较大，频繁更换电池既不经济也不现实；②降低传感器功耗以延长使用寿命，但仅可推后电池更新时间，无法从根本上解决传感器的持续供能问题。为此，自供能技术应运而生。它是一种通过收集周围环境中其它形式的能量并将其转换成电能，为传感器或其它电子设备提供安全、稳定、高效、理论上无寿命限制的电能供给技术。自供能技术以其独有的自持续性(self-sustaining)特点，大大拓展了无线传感器网络的应用空间。
根据周围空间可利用潜在能量源形式，如太阳能、振动能、化学能、风能、声能、热能、电磁能等，自供能技术采取的电能转换机理和方法也各异。基于光伏效应的太阳能电池发展较为成熟，具有清洁、环保、价廉、可再生的优点，但其输出功率受时间、天气等因素影响太大而不稳定；再者，提高收集能量时需显著增大电池板面积，这与传感器节点微小化的要求相矛盾。基于振动的电能转换原理分为电磁式、静电式和压电式，该类能量收集器具有体积小、感测频率高、工艺兼容性好、适于恶劣环境等优点，但目前还存在输出功率偏小、集成度不高、装配精度较低等缺点，实用化的可能性较小。此外，基于热能、风能与声能等的多种自供能技术，尽管原理新颖，但大多处于实验室研究阶段，离大规模应用还有较大距离。
无线传感器采用何种自供能技术需要综合考虑周围环境因素影响，在众多潜在能源中选择最优集能方式。随着变电站综合自动化技术的发展，兼具技术与经济优势的无线传感器网络在该领域的应用前景广阔。变电站内不仅工频高压母线与连接线缆密布，而且电晕放电与操作冲击等现象时时发生，自然形成了“工频与高频共生，近场与远场耦合交融，传导与辐射并存”的空间强场环境。500kV变电站的实测数据表明，电场强度可达18kV/m，磁场强度可达7.62μT。因此，针对变电站的特殊电磁环境，收集丰富的电磁场能量为无线传感器供电，具有其他自供能方法无法比拟的优点。其既不像太阳能受黑夜及天气影响巨大，也不像振动能那样需要密切的物理接触，在变电站特殊环境条件下可实现对无线传感器提供稳定、持续、经济的能源，对无线传感器网络的广泛应用和变电站自动化的发展具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单，应用方便，节省能源，经济实用，可有效解决无线传感器节点的能量供给瓶颈问题的基于空间电磁能的无线传感器自供能系统及自供能方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于空间电磁能的无线传感器自供能系统，包括电场能量收集装置、磁场能量收集装置和电能调理单元，电场能量收集装置和磁场能量收集装置通过导线分别与电能调理单元连接。
所述电场能量收集装置为球形收集电容，其包括上下两个金属半球壳，上下两个金属半球壳之间设有绝缘介质层，上下两个金属半球壳内通过一高频开关连接。
所述磁场能量收集装置为磁能收集感应环，其由若干个相同圆环按一定空间角度均匀交叉排列成球形，每个圆环皆由若干匝导线缠绕而成。
所述电能调理单元包括依次连接的整流电路、存储电路和稳压输出电路。整流电路为四个二极管组成的桥式整流电路，用一个超级电容器实现存储电路的存储功能，通过现有的可编程稳压电路可实现2～5伏的稳定电压输出。
所述电能调理单元和电场能量收集装置设置于磁场能量收集装置内。
一种利用基于空间电磁能的无线传感器自供能系统的自供能方法，包括以下步骤：
A.电场能收集，利用电场能量收集装置即球形收集电容在空间电场内将电场能转化电能；
B.整流，将从球形收集电容得到的波形较差的电流调理为符合要求的波形；
C.存储，将整流后的电流存储到存储电路中方便无线传感器使用；
D.输出，将存储电路中的电流通过稳压输出电路以及能量闭锁与保护单元，输出到无线传感器中，其中，能量充足时通过能量闭锁与保护单元将稳压输出电路自动打开，能量不足时则停止对传感器供电；
E.磁能收集，因磁能相对较弱，转化的电能有限，作为辅助能量源接入存储电路。
所述步骤A中电场能收集，当球形收集电容中的高频开关断开时，根据电磁感应原理，由上下两个金属半球壳组成的两金属电极板之间将出现电压差，两金属电极板上出现感应电荷；开关闭合时两金属电极板短路，将产生一个短路脉冲电流，一旦感应电荷都随着脉冲短路电流传导出去，两金属电极板之间电压差为零；结束两金属电极板短路，电压差出现，两金属电极板上将会感应出新的电荷可供提取；以较高的频率重复上述过程，就可得到由电场能量转化而来的间歇电流，实现了电场能到电能的简单转化。
所述步骤E中磁能收集的收集方法类似于天线接受电磁波，根据电磁感应定律，当磁能收集感应环中的线圈交链空间磁通变化时，线圈中将感生电动势，同球形电容一样，通过在线圈的两出线端设置高频开关，开关闭合时由于感应电动势的存在而产生电流，实现磁能到电能的转化；磁能收集感应环的各圆环位置按一定空间角度交叉排列，利于收集来自各个方向的高频磁场，从而尽可能多地收集磁场能量。
本发明的有益效果为：原理简单，实现方便，充分利用了高压变电站中电磁能量丰富的固有优势，可有效解决无线传感器节点的能量供给瓶颈问题。据此方法设计的自供能装置，结构简单，体积适中，安装方便，稳定高效，经济实用，对推广无线传感器网络技术和实现变电站综合自动化具有重大意义。
附图说明
图1为本发明的整体流程示意图
图2为球形集能电容结构图；
图3(a)为磁能收集感应环的正视图；
图3(b)为磁能收集感应环的俯视图；
其中，M1、M2分别为上、下两个金属半球壳，J为绝缘介质层，S为高频开关；L₁、L₂和L₃为不同圆环。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1-图3中，一种基于空间电磁能的无线传感器自供能系统，包括电场能量收集装置、磁场能量收集装置和电能调理单元，电场能量收集装置和磁场能量收集装置通过导线分别与电能调理单元连接。
所述电场能量收集装置为球形收集电容，其包括上下两个金属半球壳，上下两个金属半球壳之间设有绝缘介质层，上下两个金属半球壳内通过一高频开关连接。
所述磁场能量收集装置为磁能收集感应环，其由若干个相同圆环按一定空间角度均匀交叉排列成球形，每个圆环皆由若干匝导线缠绕而成。
所述电能调理单元包括依次连接的整流电路、存储电路和稳压输出电路。整流电路为四个二极管组成的桥式整流电路，用一个超级电容器实现存储电路的存储功能，通过现有的可编程稳压电路可实现2～5伏的稳定电压输出。
所述电能调理单元和电场能量收集装置设置于磁场能量收集装置内。
一种利用基于空间电磁能的无线传感器自供能系统的自供能方法，包括以下步骤：
A.电场能收集，利用电场能量收集装置即球形收集电容在空间电场内将电场能转化电能；
B.整流，将从球形收集电容得到的波形较差的电流调理为符合要求的波形；
C.存储，将整流后的电流存储到存储电路中方便无线传感器使用；
D.输出，将存储到存储电路中的电流通过稳压输出电路以及能量闭锁与保护单元输出到无线传感器中，其中，能量充足时通过能量闭锁与保护单元将稳压输出电路自动打开，能量不足时停止对传感器供电；
E.磁能收集，因磁能相对较弱，转化的电能有限，作为辅助能量源接入存储电路。
所述步骤A中电场能收集，当球形收集电容中的高频开关断开时，根据电磁感应原理，由上下两个金属半球壳组成的两金属电极板之间将出现电压差，两金属电极板上出现感应电荷；开关闭合时两金属电极板短路，将产生一个短路脉冲电流，一旦感应电荷都随着脉冲短路电流传导出去，两金属电极板之间电压差为零；结束两金属电极板短路，电压差出现，两金属电极板上将会感应出新的电荷可供提取；以较高的频率重复上述过程，就可得到由电场能量转化而来的间歇电流，实现了电场能到电能的简单转化。
所述步骤E中磁能收集的收集方法类似于天线接受电磁波，根据电磁感应定律，当磁能收集感应环中的线圈交链空间变化磁通时，线圈中将感生电动势，同球形电容一样，通过在线圈的两出线端设置高频开关，开关闭合时由于感应电动势的存在而产生电流，实现磁能到电能的转化；磁能收集感应环的各圆环位置按一定空间角度交叉排列，利于收集来自各个方向的高频磁场，从而尽可能多地收集磁场能量。
图1为基于空间电磁能的自供能技术整体方案示意图。步骤A为电场能收集，利用本实用新型提出的球形集能电容将电场能转化电能；步骤B为整流，将从球形电容得到的波形较差的电流调理为理想波形；步骤C为存储，将整流后的电流存储到电容器中方便无线传感器使用；步骤D为输出，为无线传感器提供稳定的电压输出。步骤E为磁能收集部分，因磁能相对较弱，转化的电能有限，仅作为辅助能量源接入存储电路。
图2为球形集能电容结构，包括上下两个金属半球壳M₁和M₂，中间J为绝缘介质层以及一高频开关S。开关断开时，根据电磁感应原理，由上下两个金属半球壳M₁和M₂组成的两金属电极板之间将出现电压差，金属电极板上出现感应电荷；开关闭合时将两金属电极板短路，将产生一个短路脉冲电流，一旦感应电荷都随着脉冲短路电流传导出去，两金属电极板之间电压差为零；结束两金属电极板短路，电压差出现，两金属电极板上将会感应出新的电荷可供提取。以较高的频率重复上述过程，就可得到由电场能量转化而来的间歇电流，实现了电场能到电能的简单转化。这种拓扑结构有以下优点：①易于计算其表面感应电荷与电场的关系；②近似封闭的金属面还为内置调理电路提供了电磁屏蔽；③电场的畸变程度较小，可避免可能的尖端放电现象。
图3(a)和图3(b)分别为磁能收集感应环的正视图和俯视图。磁能收集感应环由数个相同圆环按一定空间角度均匀交叉排列成球形，每个圆环皆由若干匝导线缠绕而成。为说明方便，本图仅采用3个圆环L₁，L₂和L₃，相隔120度交叉排列，(a)为正视图，(b)为俯视图。实际应用中，圆环的个数可根据现场需要制定。磁场能量的收集方法类似于天线接受电磁波，根据电磁感应定律，当磁能收集感应环中的线圈交链空间变化磁通时，线圈中将感生电动势，同球形电容一样，通过在线圈的两出线端设置高频开关，开关闭合时由于感应电动势的存在而产生电流，实现磁能到电能的转化。各圆环位置按一定空间角度交叉排列，利于收集来自各个方向的高频磁场，从而尽可能多地收集磁场能量。
由图1所示，球形收集电容和磁能收集感应环都可得到断续间歇电流，该电流经过后续的整理和存储回路后，即可为无线传感器供电。