[发明专利]基于变电站电场能量的电容式集能转换装置

说明书

技术领域

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

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——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——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。

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。

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。

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

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。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

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。

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。

所述上、下极板的半径均为200mm。

所述下极板厚度为2.5mm。

所述上极板的厚度大于下极板厚度。

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。

所述绝缘支柱为尼龙材质，高度为200mm。

所述绝缘支柱设置有三根。

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。

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。

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。

主要原理如下：