Оптимизация процесса сбора солнечной энергии при питании беспроводного датчика метана от возобновляемых источников энергии

Авторы

Саба А. ^*, Тхань Ф. К.^**

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993, Россия

*e-mail: akbarisaba@gmail.com
**e-mail: thanhphongkshk@gmail.com

Аннотация

В последнее время наблюдается рост научных исследований по применению беспроводных сенсорных сетей (БСС) для мониторинга газового состава воздуха на промышленных предприятиях и в жилых зонах. Мониторинг концентрации метана считается одним примером в этой области. При отсутствии питания от кабельных линий, время работы беспроводного датчика метана ограничивается емкостью батарей. В случае, когда беспроводная сенсорная сеть содержит большое число датчиков или развернута в труднодоступном месте, как, например, имеет место в нефтегазовой отрасли, необходимость замены (зарядки) батарей является основным сдерживающим для развития беспроводных технологий фактором. В данной работе, для увеличения времени автономной работы беспроводных датчиков метана, предлагается разработка гибридного источника питания на базе возобновляемых энергии. Установка преобразует энергию Солнца и ветра в электрическую энергию, которая аккумулируется в супереконденсаторах. В работе описаны два алгоритма, которые повышают эффективность зарядки суперконденсаторов в гибридных источниках питания. Первый алгоритм посвящен поиску точки максимальной мощности (MPPT) и позволяет использовать максимальную мощность солнечной панели. В соответствие с алгоритмом, поиск точки максимальной мощности осуществляется путем изменения времени разрядки и сравнения выходной мощности солнечной панели до и после зарегистрированных изменений. При достижении максимальной выходной мощности солнечной панели балансировка прекращается. Перебалансировка тока нагрузки солнечной панели выполняется периодически путем нового изменения времени разрядки. Второй алгоритм обеспечивает эффективный механизм переключения зарядки суперконденсаторов. Данные алгоритмы интегрированы в энергоустановку, которая предназначена для обеспечения питания автономного беспроводного датчика метана.

Ключевые слова

Беспроводной датчик метана, гибридный источник питания на основе возобновляемых источников энергии, алгоритм поиска точки максимальной мощности (MPPT), механизм переключения зарядки суперконденсаторов

Библиографический список

1. Brunelli D., Rossi M. Enhancing lifetime of WSN for natural gas leakages detection // Microelectronics Journal. 2014. Vol. 45. No. 12, pp. 1665–1670.

2. Samotaev N.N., Vasiliev A.A., Podlepetsky B.I., Sokolov A.V., Pisliakov A.V. The mechanism of the formation of selective response of semiconductor gas sensor in mixture of CH4/H2/CO with air // Sensors and Actuators B: Chemical. 2007. Vol. 127. No. 1, pp. 242 —247.

3. Somov A.S., Suchkov A., Karelin A., Mironov S., Baranov A.M., Karpova E. Compact Low Power Wireless Gas Sensor Node with Thermo Compensation for Ubiquitous Deployment // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2015. Vol. 11. No. 6, pp. 1660— 1670.

4. Somov A.S., Baranov A.M., Spirjakin D.N., Passerone R., Circuit design and power consumption analysis of wireless gas sensor nodes: one-sensor versus two-sensor approach // IEEE Sensors Journal. 2014. Vol. 14. No.6, pp. 2056-2063.

5. Somov A.S., Baranov A.M., Suchkov A., Karelin A., Mironov S., Karpova E. Improving interoperability of catalytic sensors // Sensors and Actuators B: Chemical. 2015. Vol. 221, pp. 1156–1161.

6. Baranov A.M, Spirjakin D.N, Akbari S., Somov A.S. Passerone R. POCO: Perpetual operation of CO wireless sensor node with hybrid power supply // Sensors & Actuators A: Physical. 2016. Vol. 238, pp. 112-121.

7. Magno M., Boyle D., Brunelli D., O’Flynn B., Popovici E., Benini L. Extended Wireless Monitoring Through Intelligent Hybrid Energy Supply // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014. Vol. 61. No. 4, pp. 1871-1881.

8. Akbari S. Energy Harvesting for Wireless Sensor Networks Review // Proceedings of the Federated Conference on Computer Science and Information Systems 2014 (FedCSIS), Warsaw, Poland, 2014, pp. 987-992.

9. Акбари С., Баранов А.М., Спирякин Д.Н., Сомов А.С. Автономный беспроводной датчик угарного газа с питанием от альтернативных источников энергии // Датчики и Системы. 2016. № 2. C. 48-53.

10. Baranov A.S., Spirjakin D.N., Akbari S., Somov A.C. Optimization of power consumption for gas sensor nodes: A survey // Sensors and Actuators A: Physical. 2015. Vol. 233, pp. 279-289.

11. Weddell A.S., Merrett G.V., Al-Hashimi B.M. Photovoltaic Sample-and-Hold Circuit Enabling MPPT Indoors for Low-Power Systems // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2012. Vol. 59. No. 6, pp. 1196-1204.

12. Huynh D.C., Nguyen T.A.T., Dunnigan M.W., Mueller M.A. Maximum power point tracking of solar photovoltaic panels using advanced perturbation and observation algorithm // Proceedings of the IEEE 8th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). Melbourne, Australia, 2013, pp. 864-869.

13. Makeenkov A., Lapitskiy I., Somov A.C., Baranov A.M. Flammable gases and vapors of flammable liquids: Monitoring with infrared sensor node // Sensors and Actuators B: Chemical. 2015. Vol. 209, pp. 1102-1107.

14. Vullers R.J.M., van Schaijka R., Doms I., Van Hoof C., Mertens R. Micropower Energy Harvesting // Solid-State Electronics. 2009. Vol. 53. No. 7, pp. 684-693.

15. Ó Mathúna C., O’Donnell T., Martinez — Catala R.V., Rohan J., O’Flynn B. Energy Scavenging for Long — Term Deployable Wireless Sensor Networks // Talanta. 2008. Vol. 75. No. 3, pp. 613-623.

16. Alippi C., Galperti C. An Adaptive System for Optimal Solar Energy Harvesting in Wireless Sensor Network Nodes // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2008. Vol. 55. No. 6, pp. 1742-1750.

17. Brunelli D., Moser C., Thiele L., Benini L. Design of a Solar-Harvesting Circuit for Batteryless Embedded Systems // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2009. Vol. 56. No. 11, pp. 2519-2528.

18. Yu H., Yue Q. Indoor Light Energy Harvesting System for Energy-aware Wireless Sensor Node // Energy Procedia (Proceedings of the International Conference on Future Energy, Environment, and Materials). 2012. Vol. 16. Part B, pp. 1027-1032.

19. Varley J., Martino M., Poshtkouhi S., Trescases O. Battery and Ultra-Capacitor Hybrid Energy Storage System and Power Management Scheme for Solar-Powered Wireless Sensor Nodes // Proceedings of the 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Montreal, Quebec, Canada. 2012, pp. 4806-4811.

20. Simjee F.I., Chou P.H. Efficient Charging of Supercapacitors for Extended Lifetime of Wireless Sensor Nodes // IEEE Transactions on Power Electronics. 2008. Vol. 23. No. 3, pp. 1526-1536.

21. Галкин В.В. Солнечные и аккумуляторные батареи ОАО «Сатурн» на космических аппаратах с электронными двигателями // Труды МАИ. 2012. № 60. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=35383

Скачать статью