基于变电站电场能量的电容式集能转换装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于变电站电场能量的电容式集能转换装置，包括一个电容式集能转换器和一个电子调理电路，所述电容式集能转换器包括上下两极板和若干绝缘支柱，上极板为半球状壳体，下极板为一圆形平板，上极板的半球壳空心腔与下极板相对应，且上极板的半球壳平面与下极板相互平行，上、下极板之间通过三个绝缘支柱相连，上、下极板分别引出一根导线连接到电子调理电路上；所述电子调理电路包括依次相连的整流电路、存储电路和稳压反馈电路。该装置将高压变电站内丰富的电场能量转换为电能供给无线传感器网络，从而从根本上解决无线传感器网络的能量供给难题。
【专利说明】基于变电站电场能量的电容式集能转换装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于高压变电站的集能转换技术，特别是一种基于变电站电场能量的电容式集能转换装置。
【背景技术】
[0002]随着社会经济的发展，能源短缺问题日益严峻、机构性矛盾日益突出，电力工业也面临着深刻的变革一智能电网成为未来电力工业发展的核心内容。智能电网的核心内涵是在电力系统各环节实现新型信息与通讯技术的集成，其中对系统状态进行实时监测的传感测量技术是智能电网最重要的技术基础。由大量分布式传感器节点组成的实时监测网络一一无线传感器网络，能同时满足传感测量技术和通讯技术的要求，不仅适用于环境条件复杂苛刻、布线困难的工业环境，而且也适用于测量点多、范围分散场合的低压抄表等电力工业应用场合。无线传感器网络是智能电网高级量测体系的重要组成部分，已成为当今工业界和学术界的研究热点。
[0003]无线传感器网络具有成本低、功耗小、实时性好、适应苛刻环境等突出优点，是未来传感器技术的发展方向，但是其能量供给问题成为制约其进一步发展的主要因素。无线传感器通常采用自带电池的供电方式，尽管电池的储能密度和使用寿命不断提高，但仍存在诸如供能寿命有限、需重复充电、体积与质量较大等供能缺陷，并不能完全满足无线传感器网络的发展要求。
[0004]集能转换技术是近年来提出的一种能从根本上解决无线传感器网络节点供能问题的方法，是一种通过收集周围环境中其他形式的能量(光能、振动能、热能、声能、电磁能等)并将其转换成电能，为传感器及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。基于光能的集能转换技术受时间、天气等环境因素影响较大，限制了该技术的使用，虽然变电站内电气设备振动较大，但振动收集装置需与振动源紧密连接，出于绝缘或安全考虑，限制了其在变电站内的应用，基于温差和声能等集能技术因能量源较低也无法满足变电站内无线传感器网络的供能要求。
[0005]高压变电站内电磁能量丰富，500kV变电站实测数据表明其最大电场能量甚至可以高达18kV/m，丰富的电场能量为电容式集能转换技术提供了应用基础。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于变电站电场能量的电容式集能转换装置，该装置将高压变电站内丰富的电场能量转换为电能供给无线传感器网络，从而从根本上解决无线传感器网络的能量供给难题。
[0007]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0008]一种基于变电站电场能量的电容式集能转换装置，包括一个电容式集能转换器和一个电子调理电路，所述电容式集能转换器包括上下两极板和若干绝缘支柱，上极板为半球状壳体，下极板为一圆形平板，上极板的半球壳空心腔与下极板相对应，且上极板的半球壳平面与下极板相互平行，上、下极板之间通过三个绝缘支柱相连，上、下极板分别引出一根导线连接到电子调理电路上；所述电子调理电路包括依次相连的整流电路、存储电路和稳压反馈电路。
[0009]所述上极板为304不锈钢材质的半球壳,下极板为HPb-62黄铜圆板。
[0010]所述上、下极板的半径均为200mm。
[0011]所述下极板厚度为2.5mm。
[0012]所述上极板的厚度大于下极板厚度。
[0013]所述上极板的半球壳的外缘设置一边缘，边缘上均布有若干与绝缘支柱对应的钻孔。
[0014]所述绝缘支柱为尼龙材质，高度为200mm。
[0015]所述绝缘支柱设置有三根。
[0016]所述整流电路为二极管单相整流桥，存储电路采用超级电容器，稳压反馈电路采用基于BQ25504的电子调理电路。
[0017]所述二极管单相整流桥的二极管类型为1N4001，超级电容采用16V/1F铝电解电容，超级电容后接P6KE15CA稳压二极管，P6KE15CA稳压二极管后接基于纳瓦级微功耗芯片BQ25504组成的稳压反馈电路，稳压反馈电路输出有两路，一路接3V可充电电池，一路接无线传感器网络供给能量。
[0018]稳压反馈电路输出有两路，其设计目的在于无线传感器网络工作时期分为发射期和休眠期，主要功耗在于发射期，并且无线传感器网络的主要工作时期都为休眠期。采用两路输出的目的在于当无线传感器网络处于休眠期时，集能转换装置收集的能量较为充足可将能量存储于可充电电池中，当无线传感器网络处于发射期时，其功耗较大，此时若集能转换装置收集能量不足以满足其发射能量需求时，可充电电池可以发挥作用，保证无线传感器网络的高效、安全、可靠的工作。
[0019]主要原理如下:
[0020]高压变电站内高压设备众多，特别是变压器高压出线端子以及高压母线上电压较高，其周围必然会形成很强的工频强场，因此变电站内电场能量丰富且电场方向也较为复杂。置于工频强电场中的电容式集能转换器，根据静电感应原理，两金属电极板上将出现感应电荷，金属电极板之间产生电势差，且电势差随外部电场的变化而变化。当外部电场为工频电场时，金属极板两端将产生工频电动势，可视为交流电压源，实现了电场能到电能的转换。当电容式集能转换器后接调理电路后，通过整流、存储、稳压等措施，将电容式集能转换器收集到的电能存储于超级电容器或电池等储能设备中，为无线传感器负载供电。
[0021]电容式集能转换器作为电场能收集的关键部件，决定了一定外电场条件下感应电荷与收集能量的多少，电容式集能转换器拓扑结构以及安放位置等都对集能效率有较大影响。变电站内电场能量较为复杂，方向可能来自于各个方向，因此本专利提出了半球型的集能拓扑结构可以充分利用变电站内的电场能量。集能转换装置的另一关键技术是电能调理与存储方法。这里需要将电容式集能转换器的输出电压调理为无线传感器正常工作所要求的标准输出电压，该技术涉及整流、斩波、电能存储、稳压输出等几部分的综合协调作用。利用空间电场能收集到的电能一般是有限的，而过于繁复的调理电路设计将会消耗相当多的能量，直接影响集能效率，因此本专利提出并设计了微功耗的电能调理电路。[0022]本发明的有益效果是，该电容式集能转换装置结构简单，运行安全可靠，具有理论上无限的使用寿命，能够充分利用高压变电站内丰富的电场能量，无需更改变电站内电气设备以及线路布局，无需附加电源，人工维护费用大大降低，研制成本较其他集能转换技术低廉。该装置在正常工作状态下对系统没有影响，应用场合不受天气、气候等环境因素影响，在未来智能电网以及智能化变电站中具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明系统原理图；
[0024]图2是电容式集能转换器上极板正视图；
[0025]图3是电容式集能转换器上极板俯视图；
[0026]图4是电容式集能转换器下极板俯视图；
[0027]图5是容式集能转换装置的调理电路原理图；
[0028]图6是容式集能转换装置的调理电路仿真图；
[0029]其中1.上极板，2.下极板，3.绝缘支柱。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0031]图1、图2和图3所示，根据图上标注的尺寸设计电容集能转换器的半球型上极板I，在其中半球型上极板I的半径为20cm,采用304不锈钢材质制成,厚度为0.4mm,为便于三根绝缘支柱3将上、下极板1、2进行支撑加固，在上极板半球型结构的外缘增加一边缘，外缘半径为21.2cm，外缘不锈钢上均匀分布3个直径8.5mm的钻孔，并用M8螺母以固定绝缘支柱3。图4为电容式集能转换器的下极板俯视图，按此图上标注的尺寸进行设计，采用HPb-62黄铜材质,厚度为2.5mm。下极板2的厚度要明显高于上极板I的原因有二:一是上极板半球型结构采用厚度较薄的材质更易加工，二是下极板2厚度增加，质量明显增加，将这个集能转换器的重心降低可以有效的提高装置的稳定度。
[0032]图5所示为电容式集能转换装置的调理电路原理图，从图中可以看到该电路可以分为三大部分:整流、存储和稳压反馈电路。其中整流电路采用的是1N4001 二极管组成的单相整流桥，存储电容采用16V/1F的铝电解电容器接到Ustore接线柱上，可以将集能转换器两端的电荷收集起来，存储在电容上。电容后端接P6KE15CA双向稳压二极管，其目的为防止储能电容两端电压过高而引发危险，该双向稳压管的最大功率可达500W，而前端电容式集能转换器收集的功率非常小，完全达不到二极管的最大功率，满足电路设计需求。稳压反馈电路中采用基于纳瓦级微功耗芯片BQ25504组成的稳压电路，电路的输出采用两路输出，一路接3V可充电电池，一路接无线传感器网络。其中采用储能电池作为整个电路的备用电源。当无线传感器网路处于休眠状态时，其功耗非常低，电容式集能转换装置收集的能量可以暂时存储在储能电池上；当无线传感器网络处于发射状态时，其功耗增加，此时如果电容式集能转换装置收集的能量不足以满足电路工作时，储能电池将发挥作用。这种电路设计可以保证整个系统工作的可靠性和安全性。该调理电路的特点是功耗低，能量收集能力突出，当电容集能转换器输送到储能电容两端的电压高于330mV时，电路便开始启动工作。[0033]对图5所示的电容式集能转换装置调理电路原理图搭建仿真模型，可以得到图6所示的仿真结果。从仿真结果中可以看到，该调理电路可以稳定工作。电路的输出电压Uout可以稳定在3.1V左右，存储电池的电压也最终稳定在3.1V左右，而输入电压Uin在达到330mV时电路即可启动工作，电路响应时间很短，并且输入电压Uin始终保持在较低的电压值下电路便可稳定工作。从仿真结果中可以看到，当外部输入能量较为充足时，输出电路将为电池存储能量，Ubat两端的电压也不断缓慢升高，当高于3.1V时将开始为储能电池充电，电路的输出电压Uout基本稳定在3V左右，电路的稳压效果非常明显，可以满足集能转换的电能调理要求。
[0034]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种基于变电站电场能量的电容式集能转换装置，其特征是，包括一个电容式集能转换器和一个电子调理电路，所述电容式集能转换器包括上下两极板和若干绝缘支柱，上极板为半球状壳体，下极板为一圆形平板，上极板的半球壳空心腔与下极板相对应，且上极板的半球壳平面与下极板相互平行，上、下极板之间通过三个绝缘支柱相连，上、下极板分别引出一根导线连接到电子调理电路上；所述电子调理电路包括依次相连的整流电路、存储电路和稳压反馈电路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述上极板为304不锈钢材质的半球壳，下极板为HPb-62黄铜圆板。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征是，所述上、下极板的半径均为200mm。
4.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述下极板厚度为2.5mm。
5.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述上极板的厚度大于下极板厚度。
6.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述上极板的半球壳的外缘设置一边缘，边缘上均布有若干与绝缘支柱对应的钻孔。
7.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述绝缘支柱为尼龙材质，高度为200_。
8.如权利要求1或7所述的装置，其特征是，所述绝缘支柱设置有三根。
9.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述整流电路为二极管单相整流桥，存储电路采用超级电容器，稳压反馈电路采用基于BQ25504的电子调理电路。
10.如权利要求9所述的装置，其特征是，所述二极管单相整流桥的二极管类型为1N4001，超级电容采用16V/1F铝电解电容，超级电容后接P6KE15CA稳压二极管，P6KE15CA稳压二极管后接基于纳瓦级微功耗芯片BQ25504组成的稳压反馈电路，稳压反馈电路输出有两路，一路接3V可充电电池，一路接无线传感器网络供给能量。
【文档编号】H02J7/00GK103475260SQ201310430720
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】李宏伟 申请人:国家电网公司, 国网技术学院