[发明专利]基于太阳能-风能互补的WSN节点自供电系统

说明书

技术领域

本发明属于通信及广播技术领域，涉及一种基于太阳能-风能互补的WSN（无线传感器网络）节点的自供电设备，主要用于WSN节点的能量自供给。

背景技术

随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络以其廉价、方便、扩展性强和低能耗等优点，广泛应用在军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。 无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

传统的无线传感器网络节点通常使用干电池或可充电电池提供能量，但由于电池的容量有限，需要定期更换电池或为电池充电。然而在传感器节点数量多、分布范围广、环境恶劣、位置偏僻的情况下，更换电池或为电池充电这一工作将显得异常繁琐，无疑与无线传感器网络方便人们生活的初衷相违背。并且在使用可充电电池时，可充电电池往往在传感器节点失效之前达到使用寿命，大大影响了传感器节点的长时间使用。因此开发基于环境能量采集的环境友好型无线传感器网络自供电系统势在必行。

环境中可以采集的能量一般有以下几种：太阳能、风能、热能、振动能、电磁能等。对于不同形式的能量，丰富程度和采集原理都不相同，其中太阳能在环境中的丰富程度可达到100mW/cm2（光照下），风能的能量密度为 （1mW/cm2）其他形式的能量一般在μW/cm2数量级。随着太阳能电池板技术的发展和普及，太阳能的采集较为方便，一块尺寸为95*95mm的太阳能电池板在阳光下最大输出功率可达1W。风能的采集一般使用风力发电机，传统的风力发电设备体积大、能量转化率低、产生电磁场干扰无线信号输出，因此不适用于传感器节点的自供电系统。压电式风力发电机是指通过安装在扇叶旋转轴上的凸轮带动悬臂梁式压电振子做强迫振动产生电能的风能采集设备，这种风能采集设备能量转化率高，无电磁干扰且适用于微型设备中。

常用的电能存储装置有电池和电容两种。目前常见的可充电电池一般有铅蓄电池、镍镉电池，镍氢电池和锂电池。其中锂电池以能量密度高、自放电率低、单体电压高、 质量轻体积小等优点，被广泛应用于各种微系统设备的供电。但存在可充电次数较少，寿命短，工作温度范围较小等缺点，在传感器网络节点使用中产生风险。电容是靠聚集电荷存储电能，普通电容的储能密度较小，但超级电容的能量储存密度较大，一块尺寸为直径22mm高度45mm的超级电容，容量可达100F。超级电容工作温度范围广，且可充放电次数一般是锂电池的10~100倍，更适合在充放电频繁的能量采集系统中。

现有的一些节点自供电系统，如专利“光伏—温差微能源与无线传感器网路节点集成自治微系统”是基于光伏和温差的环境能量采集，但这两种能量都是在有光照时才能采集到，因此不能起到互补的作用；专利“一种光伏能源与传感器节点集成的自供电微系统”中仅采用锂电池作为能量存储单元，限制了自供电系统的使用寿命和使用环境；专利“压电发电机供电的无线传感器网络节点”提出的是基于振动能量采集的自供电系统，但由于振动能的能量密度较小，因此仅适用于某些振动较强烈的场合。

发明内容

本发明为了弥补无线传感器网络节点使用电池供电的不足，提供了一种基于太阳能-风能互补的无线传感器网络节点自供电系统。该系统使用太阳能采集模块、压电式垂直轴风能采集模块采集环境中的太阳能和风能，转化为电能，并存储在由超级电容组成的电能存储模块中，超级电容作为供能单元向无线传感器网络节点供电。从而实现无线传感器网络节点能量自供给。

本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案：

一种基于太阳能-风能互补的无线传感器网络节点自供电系统，包括太阳能采集模块、压电式垂直轴风能采集模块、超级电容储能模块和接口电路。

太阳能采集模块用于采集环境中的太阳能并将其转化成电能，由安装在自供电系统外壳的太阳能电池板和二极管串联的构成，二极管的功能是防止电流逆行危害太阳能电池板。

压电式垂直轴风能采集模块用于采集环境中的风能并将其转化成电能，包括扇叶、压电振子阵列和安装有凸轮的旋转轴；四个扇叶平行于旋转轴，关于旋转轴中心对称分布，且与旋转轴半径方向有夹角。压电振子阵列由以旋转轴为中心呈圆周分布的压电振子单元阵列组成，压电振子单元由弹性体和压电陶瓷组成，两者粘贴在一起。凸轮具有突起部分，该突起部分在凸轮旋转时能够拨动弹性体，使弹性体发生强迫振动，从而使压电陶瓷变形产生电流。

接口电路的作用是为各个模块提供接口，其由太阳能输入模块、风能输入模块、电能存储接口和稳压模块几个部分组成。