Skip to main content
SUPERVISOR
Mehdi Moallem,Ahmadreza Tabesh
مهدی معلم (استاد مشاور) احمدرضا تابش (استاد راهنما)
 
STUDENT
Tahoura Hosseini Mehr
طهورا حسینی مهر

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
Modernization of transmission and distribution power grids, so-called smart grids , requires thousands of monitoring sensors to be installed within the grids. The main requirements in development of sensors for smart grids are self-powering and plug-and-play features. Wireless sensor nodes are among promising devices for smart grid applications. They are low power sensor devices which require power sources range from hundreds of micro watts up to a few milli-watts. Battery is the easiest and most common source of power for wireless sensor nodes. However, due to the limited life of batteries and high cost of maintenance, a combination of battery or super-capacitors with a micro-power generator has been recently considered a more attractive solution for powering of sensors. Micro-power generator or energy harvesters are energy converging devices which convert available source of energy in surrounding environment into electricity. Vibration-to-electricity is among the widely used techniques for harvesting energy. So far, three types of energy harvesters including piezoelectric, capacitive and electromagnetic devices have been developed to convert mechanical vibration energy into electricity. In this thesis after a brief introduction of different types of energy harvesters and comparing their features for powering of smart grid sensors, electromagnetic micro-generators are selected and investigated in details. This investigation covers the basic principles for design of vibration-to-electricity energy harvesters and presents an analysis and design method for electromagnetic micro-generators. The method deals with the dynamic model of mechanical vibrations and equivalent electric circuit of the electromagnetic micro-generator. Then, two electromagnetic energy harvesters are designed and presented which are suitable for low frequency applications. The designed energy harvesters use the electromagnetic field around a transmission line as the main source of energy. The field energy is converted to the mechanical vibration energy via using a small permanent magnet installed at the tip of a cantilever beam. The first design is established based on a combination of static transformer with an electromagnetic vibration to electricity energy harvester. The second proposed device is designed based on a linear synchronous generator using an array of small permanent magnets with opposite polarities. This arrangement of magnets increases the flux gradient which increases the induced voltage level compare to the first topology. An experimental test setup and prototype of the proposed micro-generators devices have been developed to verify the design method and evaluate the performance of the devices. To verify the model, the experimentally measured voltage and captured power compared with those obtained from analytical model and numerical analysis based on 2D finite element. The test results show the validity and accuracy of the model with an error less than 5% in the measured induced voltage. The analytical model also predicts a matching condition for capturing the maximum output power that is also verified experimentally. Keywords: Electromagnetic energy harvesters, Low frequency vibrations, Smart grids sensors, Vibration to electricity, Wireless sensor nodes.
مدیریت انرژی از طریق به روز رسانی و تجهیز خطوط انتقال و توزیع سنتینیازمند یک شبکه پایش گسترده شامل تعداد زیادی از سلول های حسگر می باشد که وظیفه آنها دریافت، جمع آوری و ارسال داد ه های شبکه ی برق می باشد. شبکه های مجهز به سیستم پایش و مدیریت انرژی که اصطلاحاً شبکه های هوشمند الکتریکی نامیده می شوند، موجب بهبود در استفاده از ظرفیت های شبکه موجود شده و از این طریق علاوه بر کاهش یا به تأخیر انداختن هزینه ی توسعه، قابلیت اطمینان شبکه نیز افزایش می یابد. مهمترین مشخصه های مورد نیازِحسگرهای شبکه ی هوشمند خود تغذیه بودن و نصب آسان آنها می باشد.سلول هایحسگر بی سیمعموماً دستگاه هایی با مصرف توان پایین هستند که نیازمند منبع توانی در محدوده ی چند صد میکرووات تا چند میلی وات می باشند. آسانترین و معمولترین روش تأمین توان برای سلول هایحسگر بی سیم استفاده از باتری است. دو عیب عمده ی باتریها، طول عمر محدود و هزینه ی بالای محافظت آنها می باشد. اخیراً استفاده از ترکیب باتری، ابر خازن و یک میکروژنراتور به عنوان روش بهتری جهت تغذیه ی حسگرها پیشنهاد شده است. میکروژنراتورها یا دریافت کننده ها ی انرژی از محیط دستگاه های تبدیل انرژی هستند که انرژی موجود در محیط را به الکتریسیته تبدیل می کنند.تبدیل لرزش به الکتریسیته یکی از مطرحترین روش های دریافت انرژی از محیط است و تا کنون سه نوع میکروژنراتور: پیزوالکتریک، الکتروستاتیک و الکترومغناطیسی برای تبدیل لرزش مکانیکی به انرژی الکتریکی ارائه شده است. در این پایان نامه پس از معرفی انواع میکروژنراتورهای لرزشی و مقایسه ی مزایا و محدودیت های آنها، میکروژنراتور الکترومغناطیسی جهت طراحی و ساخت انتخاب گردیده است. سپس مبانی طراحی میکروژنراتورهای لرزشی مطرح می گردد که شامل مدل دینامیکی لرزش های مکانیکی، مدار معادل الکتریکی و اصول طراحی میکروژنراتورهای الکترومغناطیسی می باشد. در ادامه روشی پیشنهادی برای طراحی دو نوع میکروژنراتور لرزشی الکترومغناطیسی ارائه می گردد به گونه ای که این میکروژنراتورها برای کاربردهای فرکانس پایین مناسب باشند. در هر دو طرح استفاده از نیروی وارد بر یک آهنربای کوچک از طرف میدان الکترومغناطیسی موجود در اطراف خطوط انتقال به عنوان یک منبع انرژی پایدار برای ایجاد لرزش استفاده می شود. همچنین از مواد فرومغناطیس جهت هدایت خطوط شار و در نتیجه افزایش گرادیان شار و ولتاژ القایی استفاده می شود. در طرح پیشنهادی اول در واقع دستگاه، به صورت ترکیبی از یک ترانسفورمر ساکن و یک میکروژنراتور الکترومغناطیسی لرزشی می باشد. در طرح پیشنهادی دوم نحوه ی چیدمان آهنرباها، به صورت شار محور در نظر گرفته شده است، این امر سبب افزایش بیشترِ گرادیان شار و در نتیجه سبب ایجاد سطح بالاتری از ولتاژ القایی نسبت به طرح پیشنهادی اول می گردد. با توجه با این سطح ولتاژِ بالاتر، طرح پیشنهادی دوم برای کاربردهای فرکانس پایین بسیار مناسبتر می باشد. در ادامه ی پایان نامه، گزارشِ نحوه ی ساخت و روش تست هردو میکروژنراتور ارائه می گردد. نتایج حاصل از تست دو میکروژنراتور نشان می دهد که پیش بینی های انجام شده بر اساس روش تحلیلی و عددی صحیح بوده و سطح ولتاژ القایی در میکروژنراتور شار محور بیشتر می باشد. علاوه براین در مورد میکروژنراتور شار محور، توان خروجی نیز به ازای بارهای مقاومتی مختلف اندازه گیری می شود و شرط انتقال توان بیشینه به بار مقاومتی به صورت تحلیلی مورد بررسی و درستی آن با استفاده از سامانه تست عملی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت. کلمات کلیدی: میکروژنراتورهای الکترومغناطیسی، نوسانات فرکانس پایین، حسگرهای شبکه های هوشمند، تبدیل لرزش به الکتریسیته، سلول های حسگر بی سیم.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی