【摘 要】
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随着第四次世界工业革命的到来,硬件设施和基础设施的大发展催生了对电力的巨大需求。为了确保电力的持续稳定供应,对电力设施尤其是输电线路进行状态监控和故障预警显得尤为重要。定期巡检是保证电力线路安全的主要手段,而它又存在着费时、费力、存在空窗期的问题。但随着物联网时代的到来,一种新的低功耗传感节点自供电方案也应运而生。在一些特定环境下,收集环境能量转换为电能并为低功耗的无线传感器供电,形成自供电的无线
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随着第四次世界工业革命的到来,硬件设施和基础设施的大发展催生了对电力的巨大需求。为了确保电力的持续稳定供应,对电力设施尤其是输电线路进行状态监控和故障预警显得尤为重要。定期巡检是保证电力线路安全的主要手段,而它又存在着费时、费力、存在空窗期的问题。但随着物联网时代的到来,一种新的低功耗传感节点自供电方案也应运而生。在一些特定环境下,收集环境能量转换为电能并为低功耗的无线传感器供电,形成自供电的无线传感网络。摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新兴的能量采集技术在自供电系统中大有可为。除此之外,混合能量收集器能进一步提升能量采集的效率。本文研究了基于TENG的混合能量收集器通过采集电力线周围的磁场能量和振动能量实现为传感器节点的供电,进一步形成自供电的监控预警系统。本论文设计了两种基于TENG和电磁发电机（EMG）的混合能量收集器,分别用于收集电力线磁能与振动能,并验证了混合能量收集器构成自驱动系统的可行性。主要研究工作如下:（1）根据输电线的磁场环境,合理设计器件结构,通过一个软质的磁性摆产生位移推动TENG实现接触分离并改变线圈中的磁感线密度。将TENG和EMG很好地结合在一个器件上,实现了对磁场能量的混合收集,证明了对导线温度状态长期监测的可行性。（2）建立了TENG的仿真计算模型:在表面电荷密度为20μC/m~2时,由COMSOL得出电势差约为70 V与理论计算的结果68 V相契合;在实验中探究了TENG在不同外部激励,不同的配置下的输出,测试得出TENG的最大输出电压为122 V,与仿真计算得出的约为120 V相符。（3）选择外部电路连接方式,优化能量应用过程。在本文实验中,并联多个TENG的电压输出分别是串联的0.84和1.1倍,而电流输出分别是1.96和2.25倍。得出并联相对于串联连接的方式具有更大的优势。（4）利用LTC-3588电源管理电路,实现了由TENG对用电器的3.3 V稳压电源输出;利用能量管理电路对充电过程进行优化,在15分钟时间内分别将3.3 m F的电容电压提升至1.292V,充电速度比直接充电得到的0.638 V提升了2.03倍,实现更稳定的能量收集与应用。（5）分析了输电线路在低频情况下的振动,通过实验比较设计了适用的器件设计,在主体杆两端设置TENG单元,在振动发生时使TENG实现接触分离以减弱振动能量,在测试中将模拟导线的振幅由13 cm减弱至5 cm。并实现了电力线对振动能量的收集及应用,验证了对电力线运行状态数据的无线传输与故障预警功能。
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