采集技术论文提纲

论文题目：用于无线传感器网络节点供电的热电能量采集MPPT技术研究

摘要：现阶段很多无线传感器网络（Wireless Sensor Network-WSN）节点依然采用电池供电的方法,电池供电有着需要人工更换电池的缺点,能量采集技术是一种很有发展前景的对电池供电的替代方法。环境中存在多种不同的能量来源可供能量采集技术使用,如太阳能、风能、振动能等,但由于工业场所中的热源丰富,因此本研究着重于热电能量采集。由于现阶段热电模块（Thermoelectric Generator-TEG）的输出功率不足以满足WSN节点的需要,因此提高TEG的能量转换效率变得极为重要。对于TEG,常用的有效的提高其输出效率的方法为对其输出进行最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking-MPPT）。最经典的应用于TEG的MPPT方法为内阻匹配法和扰动观测法,这两种方法有各自的优缺点。内阻匹配法的优点为实现简单,追踪速度快,达到最大功率点（Maximum Power Point-MPP）后输出稳定;缺点是在其追踪过程中需要断开TEG和负载的连接,造成了能量浪费和输出的波动。扰动观测法的优点为无需断开TEG和负载的连接和追踪精度高;缺点是由于扰动的引入使系统达到MPP后输出存在小范围的波动和追踪速度较慢。本文提出了一种新的MPPT方法并通过仿真和实验对其进行了验证,该方法将粗调和细调相结合以提高TEG的能量转换效率。本文的具体工作内容如下:1.基于实验拟合得到了TEG-287-1.0-1.3热电模块的温度-输出电压模型,该模型表达式为简单的二元平面线性方程。得到的拟合函数可决系数~2=0.9992,与其他研究得到的模型相比,在现有的实验条件下与实验结果最为相符。2.基于得到的TEG输出特性模型提出了一种新的MPPT方法,并对该方法进行了Simulink仿真实验。该MPPT方法由粗调和细调两部分构成,其中粗调为基于得到的TEG温度-输出电压模型的内阻匹配法的改良;细调为扰动观察法的改良。两种方法的改良都克服了经典方法的缺陷,并将两者的优点相结合。通过仿真实验验证了所提出的MPPT方法具有精确性、稳定性和快速性。3.搭建实验平台对MPPT方法的粗调部分进行了可行性实验,在实验台加热温度为150℃,TEG冷端自然散热的实验条件下,与无MPPT相比,MPPT电路使负载上得到的功率提升了99.31%,并且输出稳定。这证明了所提出的粗调方法的可行性和稳定性。

关键词：无线传感器网络（WSN）;热电模块（TEG）;最大功率点跟踪（MPPT）;能量采集技术

学科专业：控制科学与工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 自供电无线传感器网络节点研究现状

1.2.2 TEG模块发展和研究现状

1.2.3 MPPT方法研究现状

1.2.4 应用于TEG的MPPT方法研究现状和发展动态分析

1.3 论文的研究内容及结构

1.3.1 研究内容

1.3.2 论文结构

1.4 本章小结

第2章 热电能量采集技术原理介绍

2.1 热电能量采集系统介绍

2.2 TEG内部基本热学原理

2.3 DC-DC电路结构介绍

2.3.1 不同工作模式下DC-DC电路的工作状况

2.3.2 PWM波占空比和DC-DC电路等效电阻关系(D-R关系)

2.4 MPPT方法原理介绍

2.4.1 内阻匹配法

2.4.2 扰动观察法

2.4.3 线性外推法

2.5 本章小结

第3章 TEG温度-输出电压模型构建

3.1 其他研究中的TEG模型

3.2 基于实验的TEG模型构建

3.2.1 实验设备介绍

3.2.2 实验过程

3.2.3 实验结果和分析

3.3 不同模型的对比

3.4 本章小结

第4章 基于TEG输出电压模型的MPPT方法仿真

4.1 基于TEG输出电压模型建立的MPPT粗调方法

4.2 观察自寻优MPPT细调方法

4.3 粗调和细调相结合的MPPT方法

4.4 Simulink仿真模型构建

4.4.1 整体MPPT电路结构仿真模型

4.4.2 TEG仿真模型构建

4.4.3 DC-DC电路仿真模型构建

4.4.4 时钟模块

4.5 仿真结果

4.6 本章小结

第5章 基于TEG输出电压模型的MPPT方法实验

5.1 实验设备介绍

5.2 实验设备搭建

5.2.1 DC-DC电路搭建

5.2.2 测温热电偶信号放大电路

5.3 MPPT方法在节点上的实现

5.3.1 节点介绍

5.3.2 MPPT在节点上实现流程

5.3.3 A/D转换

5.3.4 PWM波输出

5.4 MPPT方法实验

5.4.1 实验过程

5.4.2 实验结果

5.4.3 实验结果讨论

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 展望

参考文献

致谢