Анализ мощности электромагнитных сборщиков с тороидальным сердечником для линий электропередачи

Ключевые слова: energy harvesting, toroid core, transmission line, finite element analysis, electromagnetic harvesters

Аннотация

Введение. В связи с ростом потребности в энергии интенсивно исследуются и методы ее сбора. Одним из таких методов является сбор энергии от электромагнитных полей, получаемых от линий электропередач. Преобразование малых количеств энергии из окружающей среды в электроэнергию может использоваться для работы маломощных электронных устройств и датчиков.
Цель статьи. Разработать эффективный сборщик электромагнитной энергии от линий электропередач для беспилотных летательных аппаратов.
Материалы и методы. Рассмотрен метод получения энергии от линий электропередач посредством сбора энергии магнитного поля. Теоретический анализ, анализ ме тодом конечных элементов (FEA) и экспериментальные исследования проводились на тороидальных конструкциях сердечника, спроектированных в разных размерах и из разных материалов.
Результаты исследования. Самая высокая мощность 695,516 мВт была собрана сборщиком ферритовых сердечников размером 60x30x20 при линейном токе 30 А, среди выбранных материалов и при заданных условиях сети: токе 0‒30 А и частоте 50 Гц.
Обсуждение и заключение. Детальные эксперименты были проведены с ферритовым сердечником 60х30х20 мм, который показал наибольшее напряжение. Были использованы различные сопротивления нагрузки, чтобы найти значение сопротивления для наибольшей мощности при каждом значении тока. Оптимальное сопротивление нагрузки для передачи максимальной мощности определялось для каждого сердечника методом подгонки кривой при всех значениях тока.

Биографии авторов

Мухаммед Самил Балджи, Университет им. Бандырмы Ониеды Эйлюла

кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры электротехники и электроники Университета им. Бандырмы Ониеды Эйлюла (10200, Турция, Бандырма, Балыкесир), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3926-253X, Scopus ID: 57957391100, mbalci@bandirma.edu.tr

Адем Далджали, Университет им. Бандырмы Ониеды Эйлюла

доктор технических наук, доцент кафедры электротехники и электроники Университета им. Бандырмы Ониеды Эйлюла (10200, Турция, Бандырма, Балыкесир), Национальный исследовательский университет TIIAME (100000, Узбекистан, г. Ташкент, ул. Кары Ниязова, д. 39), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9940-0471, Researcher ID: AAI-1055-2021, adalcali@bandirma.edu.tr

Литература

1. Moser M.J., Bretterklieber T., Zangl H., Brasseur G. Strong and Weak Electric Field Interfering: Capacitive Icing Detection and Capacitive Energy Harvesting on a 220-kV high-voltage overhead power Line. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2011;58(7):2597–2604. https://doi.org/10.1109/TIE.2010.2098362

2. Liu Y., Xie X., Hu Y., Qian Y., Sheng G., Jiang X., et al. A Novel High-density power Energy Harvesting Methodology for Transmission Line online Monitoring Devices. Review of Scientific Instruments. 2016;87(7):075119. https://doi.org/10.1063/1.4959556

3. Zhuang Y., Xu C., Yuan S., He C., Chen A., Lee W.W., et al. An Improved Energy Harvesting System on Power Transmission Lines. In: 2017 IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC). 2017. p. 1–3. https://doi.org/10.1109/WPT.2017.7953847

4. dos Santos M.P., Vieira D.A., Rodriguez Y.P., de Souza C.P., de Moraes T.O., Freire R.C. Energy Harvesting Using Magnetic Induction Considering Different Core Materials. IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). 2014;942–944. https://doi.org/10.1109/I2MTC.2014.6860881

5. De Moraes T.O., Malina Y.P., Melo E.C.D.S., De Souza C.P., Experimental Results on Magnetic Cores for Magnetic Induction-Based energy Harvesting. 17th TC-4 Workshop IWADC on ADC and DAC Modeling and Testing. 2013;65. Available at: https://www.researchgate.net/publication/290829983_Experimental_results_on_magnetic_cores_for_magnetic_induction-based_energy_harvesting (accessed 10.06.2023).

6. Tashiro K., Wakiwaka H., Inoue S.I., Uchiyama Y. Energy Harvesting of Magnetic Power-Line Noise. IEEE Transactions on Magnetics. 2011;47(10):4441–4444. https://doi.org/10.1109/TMAG.2011.2158190

7. Simic M., Bil C., Vojisavljevic V. Investigation in Wireless Power Transmission for UAV Charging. Procedia Computer Science. 2015;60:1846–1855. https://doi.org/10.1016/j.procs.2015.08.295

8. Dalcali A., Balci M.Ş., Sakar, S. Electromagnetic Energy Harvester Design for Power Transmission Line. Transdisciplinary Journal of Engineering & Science. 2022;14:111–123. https://doi.org/10.22545/2022/00211

9. Quyen T., Nguyen C., Le A., Nguyen M. Optimizing Hybrid Energy Harvesting Mechanisms for UAVs. EAI Endorsed Transactions on Energy Web. 2020;7(30). https://doi.org/10.4108/eai.13-7-2018.164629

10. Najafi S.A.A., Ali A.A., Sozer Y., De Abreu-Garcia A. Energy Harvesting from Overhead Transmission Line Magnetic fields. In: IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. 2018. p. 7075–7082. https://doi.org/10.1109/ECCE.2018.8558356

11. Camboin M.M., Baiocchi O., Villarim A.W.R., Catunda S.Y.C., de Souza C.P., Moreira C.D.S. An Automatic Emulation System for Environmental Thermal Energy Harvesting. In: IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference. 2019. p. 1–6. https://doi.org/10.1109/I2MTC.2019.8827004

12. Nadaf N., Preethi A. Review on Waste Heat Energy Harvesting using TEG: Applications and Enhancements. 8th International Conference on Smart Computing and Communications. 2021. p. 334–339. https://doi.org/10.1109/ICSCC51209.2021.9528196

13. Yang Y., Zhu G., Zhang H., Chen J., Zhong X., Lin Z. H., et al. Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Wind Energy and as Self-Powered Wind Vector Sensor System. ACS Nano. 2013;7(10):9461–9468. https://doi.org/10.1021/nn4043157

14. Wu Y., Zhong X., Wang X., Yang Y., Wang Z.L. Hybrid Energy Cell for Simultaneously Harvesting Wind, Solar, and Chemical Energies. Nano Research. 2014;7:1631–1639. https://doi.org/10.1007/s12274-014-0523-y

15. Wen Q., He X., Lu Z., Streiter R., Otto, T. A Comprehensive Review of Miniatured Wind Energy Harvesters. Nano Materials Science. 2021;3(2):170–185. https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2021.04.001

16. Uddin M.N., Islam M.S., Sampe J., Sawal H., Bhuyan M.S. Design and Simulation of Piezoelectric Cantilever Beam Based on Mechanical Vibration for Energy Harvesting Application. In: International Conference on innovations in Science, Engineering and Technology. 2016. p. 1–4. https://doi.org/10.1109/ICISET.2016.7856532

17. Jayarathne W.M., Nimansala W.A.T., Adikary S.U. Development of a Vibration Energy Harvesting Device Using Piezoelectric Sensors. In: Moratuwa Engineering Research Conference. 2018. p. 197–202. https://doi.org/10.1109/MERCon.2018.8421913

18. Rodriguez J.C., Holmes D.G., McGrath B.P., Wilkinson R.H. Maximum Energy Harvesting from Medium Voltage Electric-Field Energy Using Power Line Insulators. In: Australasian Universities Power Engineering Conference. 2014. p. 1–6. https://doi.org/10.1109/AUPEC.2014.6966633

19. Moghe R., Yang Y., Lambert F., Divan D. A Scoping Study of Electric and Magnetic Field Energy Harvesting for Wireless Sensor Networks in Power System Applications. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. 2009. p. 3550–3557. https://doi.org/10.1109/ECCE.2009.5316052

20. Dalcali A. Influence of Rotor Magnet Material and Stator Winding Geometry on Output Torque in Spherical Actuator. Journal of Engineering Sciences and Design. 2019;7(1):145–151. https://doi.org/10.21923/jesd.437980
Опубликован
2023-12-27
Выпуск
Том 33 № 4 (2023): Инженерные технологии и системы
Раздел
Электротехнологии и электрооборудование