Материал: 687_Sazhnev_A.M._Sistemy_ehlektropitanija_

преобразует ее в полезную электрическую мощность для запаса в батареях и конденсаторах [3]. Такая система состоит из интеллектуального преобразователя энергии и электронной схемы, осуществляющей функции сбора и запаса энергии. Генератор преобразует механическую энергию вибрации в эквивалентную электрическую энергию с помощью пьезоэлектрической RLPбалки, прикреплённой к вибрационной

модуля. Модуль запаса мощности включает электронную архитектуру, которая эффективно запасает сгенерированную мощность в батарее или конденсаторе.

Рис. 1.13 – Технология захвата энергии Adaptiv Energy: энергосберегающий модуль Joule-Thief; б) энергособирающая RLP-балка

В состав интеллектуального преобразователя Joule-Thief входит композитная балка, которая состоит из кантилеверного клина с прикреплённым пьезоэлектрическим слоем и подвешенной на его наконечнике инерционной массой. Масса преобразует входное ускорение базы в эффективную инерциальную силу на наконечнике, отклоняющую балку, что наводит механическое напряжение в пьезоэлектрическом слое. Механическое напряжение приводит к поляризации пьезокерамики, а дополнение структуры электродами обеспечивает поляризационный ток, который преобразуется в полезную мощность. Преимуществом технологии является возможность работы RLP-балки в жёстких условиях в течение длительных периодов времени, в отличие от ненагруженных устройств. Система Joule-Thief имеет высокий коэффициент полезного действия 60…80%. Однако чтобы достичь этих значений, требуется соответствие формы балки окружающим условиям, спектру и параметрам входной вибрации (ускорение, частота). Joule-Thief применяется в качестве

21

источника питания с мониторингом для носимых электронных устройств, беспроводных сенсорных и переключающих систем, дополняющих устройства для заряда батарей. Преобразователи Joule-Thief рекомендованы для многих беспроводных систем, например, для расширения батарейных беспроводных датчиков и переключателей.

Устройство сбора электромагнитной энергии преобразует механическую энергию (вибрации) в электрическую. Один из вариантов реализации состоит в том, что обмотка, прикреплённая к колеблющейся массе, преобразует магнитное поле фиксированного магнита, другой способ заключается в перемещении постоянной магнитной структуры, относительно которой обмотка удерживается фиксированной. На выходе обмотки в переменном магнитном поле по закону Фарадея наводится напряжение.

Компания Perpetum реализовала вариант с перемещением магнита относительно стационарной обмотки [3]. Достигнуто увеличение выходной мощности, где фиксированные электрические соединения являются более надёжными. Выходное напряжение в таких системах может регулироваться на требуемых уровнях или с учетом запаса на потери.

Автономный энергособиратель PMG (Perpetual Micro-Generators) FSH (FreeStanding Vibration Energy Harvester) (рис. 1.14 а) обеспечивает сбор электромагнитной энергии, ее хранение и контроль. В состав этого устройства входит схема управления для заряда внешнего запасающего устройства током до 4 мА при 5 В. Уровни мощности задаются с помощью последовательного интерфейса с трёхвыводным стандартным соединителем, датчики подключаются к энергособирателю проводным способом через соединитель, поэтому расстояние между ними ограничено. Поскольку сенсорные узлы независимы от внешней, например, настенной электропроводки, их можно считать беспроводными (рис. 1.14 б). PMG FSH крепится магнитом или резьбовым способом.

Рис. 1.14 – Микрогенераторы Perpetum для промышленных применений: а) автономный энергособиратель PMG FSH; б) реализация машинных сенсорных узлов с автономным питанием

22

Для железнодорожных приложений используется PMG Rail, который генерирует 10…15 мВт в течение продолжительной поездки с частотами 30…60 Гц и диапазоном температур –40…85°C. Выходы системы программируются в диапазоне 3…10 В. PMG Rail используется в системах мониторинга подшипников, системах слежения за состоянием подвижных составов.

Энергособиратель Ferro Solutions Energy Harvesters (FSEH)

представляет собой автономный источник питания, который генерирует электричество от вибрации и предназначен для питания силовых беспроводных трансиверов, датчиков, микродвигателей и приводов. FSEH может замещать батареи для непрерывной работы, снижая стоимость

Электромеханические энергособиратели основаны на оригинальном дизайне магнита и обмотки, взаимодействие которых позволяет улавливать вибрацию. Предназначены для питания отопительного оборудования, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, насосов, бойлеров, железнодорожного транспорта, реактивных двигателей. В первую очередь, вибрационные энергособиратели интересны для питания датчиков вибрации, а также для датчиков, находящихся в вибрационном окружении. Проще собирать энергию высокочастотной вибрации, но в природе и технике преобладают низкочастотные вибрации. Если вибраций мало или они отсутствуют, то другими источниками энергии являются свет, тепло или радиочастотная энергия, которые могут подключаться к механическому устройству.

Энергособиратели ME-типа конфигурируются для использования в окружении с вибрациями и электромагнитными полями. Комбинирование пьезоэлектрических материалов с магнитными позволяет этим устройствам вырабатывать большую мощность. Данная технология подходит для в ВЧокружения и переменных магнитных полей, а также для интеграции в оборудование с подвижными магнитами. Технология ME VEH хорошо подходит для бесконтактного удалённого заряда (беспроводной передачи мощности). Находит применение во вращательных машинных системах и медицинских устройствах. В отличие от энергособирателей с проводным выводом мощности она пригодна для питания сенсорных узлов. FS Energy Harvester используется как удалённый независимый источник питания, который непрерывно поставляет энергию туда, где его можно легко установить.

Компания Ferro разработала также гибридную сенсорную технологию на основе пассивной магнитоупругой электроактивной технологии (Passive Magnetoelastic Electroactive, PME) для подводного использования.

Гибридный датчик, который поставляет данные от акустического и

23

магнитного датчиков, используется как магнитометр, представляет собой пример комбинирования пьезоэлектрических материалов с магнитными и их сенсорного слияния. В этих системах чувствительность приближена к магнитометрам SQUID-типа, но с меньшим потреблением мощности и в меньшем корпусе.

Существуют системы, где используется несколько источников энергии. Так, компания Midé, например, не только выпускает собиратели вибрационной энергии (Volture Vibration Energy Harvester), но и комбинирует их с собирателями солнечной энергии (Volture Solar Energy Harvester). Вибрационный энергособиратель Midé основан на технологии пьезоэлектрического преобразования QuickPack. Преобразователь изготовлен из пьезоэлектрических материалов с электрическими выводами, защищёнными и изолированными при производстве. Гибридный энергособиратель SEH20w (SEH25w) включает солнечную панель, установленную в корпус Volture, которая работает со стандартной электроникой.

1.4Применение емкостных накопителей энергии

1.4.1Общие сведения. Емкостные накопители энергии (ЕНЭ) широко

используются в физических экспериментах благодаря ряду достоинств: малому внутреннему сопротивлению (менее 10– 3 Ом); малой индуктивности (до 10– 9 Гн). Это позволяет обеспечить малое время разряда (10–4…10–8 с), эффективную

передачу энергии в нагрузку, возможность достижения рекордных значений мощности (до 1013 Вт) и скорости нарастания тока (1013 А/с). Кроме того, ЕНЭ обладают рядом эксплуатационных удобств: отсутствием движущихся элементов, простотой обслуживания, модульным принципом исполнения, позволяющим отключать и легко заменять элементы при случайных

повреждениях. Недостатком ЕНЭ является низкая плотность энергии (0,1…0,5 МДж/м3) по сравнению с другими типами накопителей среднее значение

сооружения, занимающие целые залы и даже здания. ЕНЭ классифицируются по следующим признакам:

по зарядному напряжению: низкого напряжения (10 кВ), среднего напряжения (10…100кВ), высокого напряжения (свыше 100 кВ);

по запасаемой энергии: малой (до 100 кДж), средней (до 1000 кДж), большой (свыше 1000 кДж);

по длительности импульса тока: миллисекундного диапазона, микросекундного и наносекундного.

Кроме того, ЕНЭ следует различать по типу конструкции и способов соединения элементов. Традиционной является конструкция ЕНЭ в виде однотипных конденсаторов, соединенных при разряде параллельно (генератор импульсных токов) или последовательно (генератор импульсных напряжений).

24

В таких генераторах конденсаторы представляют собой отрезки полосковых линий с выводом через индуктивности [4]. При этом даже в режиме короткого замыкания выполняется следующее условие:

постоянной ε вдоль фольги секций (обкладок) конденсатора.

Условие (1) означает, что режим разряда квазистационарный. Это позволяет считать конденсатор сосредоточенным элементом цепи с индуктивностью LC, емкостью С и сопротивлением RC.

Впоследние годы все большее развитие получают накопители в виде

формирующих линий. Это, как правило, многокаскадные емкостные накопители высокого напряжения (105…106 В), работающие в наносекундном диапазоне времени. Главная особенность которых состоит в том, что энергия в последних каскадах запасается в электрическом поле полосковых или коаксиальных линиях.

Врежиме короткого замыкания разряд линии происходит в волновом режиме, если выполнено условие, обратное (1.1):

где l0 длина линии; L' удельная индуктивность;

LB – индуктивность вывода линии.

В рабочем режиме кроме LB следует учитывать индуктивность нагрузки

LH . Поэтому в цепи с малым сопротивлением линия может разряжаться либо как обычный конденсатор (если не выполнено условие (1.2) и (1.3), где вместо

LB фигурирует LB LH , либо в волновом режиме, если при замене LB на

LB LH выполнены условия (1.2) и (1.3). Активное сопротивление,

включенное последовательно с LH , приближает разряд к волновому.

В качестве примера рассмотрим ЕНЭ конденсаторного типа, выполненные по схеме параллельного соединения конденсаторов (генераторы импульсных токов – ГИТ). На рис. 1.15 приведена структурная схема генератора импульсных токов, где ЗУ – зарядное устройство; КБ – конденсаторная батарея; СК – система коммутации; К – коллектор; УБС –

25