طراحی و ساخت انرژی سنج بی سیم خود توان به منظور اندازه گیری انرژی گرمایشی در ساختمان های هوشمند

STUDENT

DEGREE

YEAR

Building management and optimization of energy consumption in residential buildings are among priorities for sustainable energy development in many countries. Implementation of energy management systems require online monitoring tools and the building energy-related equipment. In a residential building, especially in large residential complexes, heating system consumes the highest amount of energy that is about 45 percent of total energy of a building. On the other hand, in a large building with a shared heating system, applying tariff for a fair monthly payment of energy charge has been introduced as an efficient approach to improve energy management. However, as calculating the exact share of each apartment unit in energy consumption cannot be determined, despite the superiority of central heating, the current trend is toward independent heating systems. One solution is using energy-meters which in turn add to the complexity of instrumentations in a large building. Using wireless communication and replacing batteries with energy harvesters as a permanent power generator are suggested as the two main techniques in the design of easy-to-install and maintenance-free energy-meters. The subject of this thesis is about developing wireless and self-power energy-meters based on piezoelectric energy harvesters and flow meters. In this thesis, the design analysis and implementation method of a piezoelectric fluid energy harvester using a non-contact turbine is proposed that is capable to capture energy of fluid with a wide range of speeds. As the generated power by an energy harvester is typically low and in the range of mW, replacing the battery in a wireless energy meter device requires re-designing of the device circuits with ultra-low power sensors and processing circuits. A typical Hall-effect flow meter due to using electronic circuits for signal conditioning has a relatively high power consumption that cannot be supplied by a mW-range energy harvester. The thesis proposes a piezoelectric passive flow meter device for measuring the fluid flow rate that aims to reduce power consumption of wireless energy-meter. In the suggested device, energy harvesting from the fluid can also be achieved using the same structure for measuring the flow rate. Thus, an integrated sensor and energy harvester device is suggested and implemented for reducing the power consumption and supplying power to the wireless energy harvester. To evaluate the effectiveness of the proposed method, an experiment test setup for testing the proposed device is developed. The test results show that the device can measure the flow rate in the range of 95 to 225 lit/h and it can capture maximum power of 214 micro-watts in this range. Further, it is shown that the average power consumption of the proposed energy-meter is about 113 micro-watts which is in the range of supplied power with the energy harvester. Keywords Building Energy Management System, Self-power Wireless Energy Meter, Piezoelectric Fluid Energy Harvester, Piezoelectric Flow Meter, Combined Flow Meter and Energy Harvester

مدیریت و بهینه‌‍‌سازی مصرف انرژِی در ساختمان‌های مسکونی از اولویت‌های برنامه‌ریزی توسعه انرژی پایدار در بخش نظام ساختمان‌سازی کشورها است. پیاده‌سازی سیستم‌های مدیریت انرژی نیازمند ابزارهای پایش برخط و تجهیزات مرتبط با انرژی ساختمان است. در یک ساختمان مسکونی و به ویژه در مجتمع‌های مسکونی بزرگ، سیستم های گرمایش ساختمان با سهمی حدود 45 درصد دارای بیش ترین سهم مصرف انرژی فسیلی هستند. از طرفی در مجتمع‌های بزرگ به دلیل سیستم گرمایش اشتراکی، بهینه سازی مصرف انرژی از طریق تعرفه گذاری و پرداخت عادلانه هزینه شارژ ماهیانه به تفکیک واحدهای مسکونی به عنوان یک نیاز واقعی در ارتقا مدیریت مصرف انرژی مطرح است. بدلیل عدم امکان محاسبه سهم دقیق هزینه مصرف انرژی برای هر مصرف کننده، علیرغم برتری سیستم گرمایش مرکزی، در حال حاضر گرایش به سمت سیستم های گرمایشی مستقل است. اخیراً استفاده از انرژی سنج برای هر واحد مسکونی به عنوان راهکاری برای محاسبه دقیق سهم انرژی مصرفی هر واحد مطرح شده که موفقیت این راهکار منوط به ساخت انرژی سنج با ساختاری ساده، بدون نیاز به تعمیر و نگهداری و با قابلیت اطمینان بالا است. بدین منظور، حذف سیم کشی از طریق ارتباط بی‌سیم و حذف باتری و جایگزینی آن با برداشتگر انرژی به عنوان یک منبع دائمی تولید توان، به عنوان دو راهکار اصلی در طراحی انرژی سنج های بدون نیاز به تعمیر و نگهداری مطرح شده اند. موضوع اصلی این پایان نامه، ارائه طرح پیشنهادی برای انرژی سنج بی سیم و خودتوان بر مبنای برداشتگر انرژی سیال و فلومتر پیزوالکتریک است. برداشتگرهای انرژی سیال پیزوالکتریکی نیازمند ساختارهایی هستند که علاوه بر مقاوم بودن در برابر عبور سیال با سرعت زیاد، امکان برداشت انرژی از سیال عبوری با دبی کم را نیز داشته باشند. در این پایان نامه، طراحی، ساخت و تحلیل برداشتگرهای انرژی سیال پیزوالکتریکی از نوع توربینی و غیر تماسی با قابلیت جذب حداکثر توان در محدوده وسیعی از تغییرات دبی سیال پیشنهاد شده است. با توجه به پایین بودن توان تولیدی برداشتگرهای انرژِی، موفقیت چنین طرحی مستلزم استفاده از حسگرها و مدارهای الکترونیکی بسیار کم مصرف در ساختار انرژی‌سنج است. فلومترهای عادی به دلیل استفاده از مدارهای الکترونیکی واسطه برای حسگر اثر هال، دارای مصرف توان نسبتا بالا در مقایسه با چگالی تولید توان برداشتگر انرژی هستند. در این پایان نامه، طرحی برای ساخت یک فلومتر پیزوالکتریک با ساختار پسیو جهت اندازه گیری دبی آب عبوری ارائه شده که هدف آن کاهش مصرف توان انرژی سنج بی سیم است. همچنین با توجه به ساختار یکسان فلومتر و برداشتگر انرژی سیال پیزوالکتریک، یک طرح پیشنهادی به منظور ادغام حسگر و برداشتگر انرژی در این پایان نامه ارائه و پیاده سازی شده است. به منظور بررسی کارآیی روش پیشنهادی، یک نمونه عملی از انرژی سنج و برداشتگر انرژی سیال پیزوالکتریک ساخته شده و عملکرد آن ها در یک سامانه تست مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج حاصل از آزمون های عملی نشان می دهد که فلومتر در محدوده دبی 95 تا 225 لیتر بر ساعت دارای کارایی مناسب بوده و برداشتگر انرژی سیال پیزوالکتریک نیز در همین محدوده دارای امکان تولید توان حداکثر 214 میکرو وات است. همچنین نتایج حاصل از آزمون های عملی که بر روی انرژی سنج انجام شده است، نشان می دهد که متوسط توان مصرفی انرژی سنج پیشنهادی، تنها 113 میکرو وات است که در محدود توان تولیدی برداشتگر انرژی بوده و امکان حذف باتری را در ساختار انرژی سنج بی سیم فراهم می‌کند. کلید واژه ها: 1- سیستم مدیریت انرژی ساختمان، 2- انرژی hy;سنج بی سیم خودتوان، 3- برداشتگر انرژی سیال پیزوالکتریک، 4- فلومتر پیزوالکتریک، 5- ترکیب فلومتر و برداشتگر انرژی سیال پیزوالکتریک