能量转换系统（精选11篇）
能量转换系统 篇1
摘要：压电发电技术在能源短缺的今天日益受到广泛的重视。本文从压电材料基本理论中的原理及压电方程组对压电技术进行了介绍。设计了一个压电发电装置, 依据压电材料基本理论对压电发电的输出特性进行了分析。相信, 压电发电技术的发展前景一片光明。
关键词：压电发电,振动能,压电发电装置,输出特性
能源匮乏是目前全球最需解决的关键问题之一, 世界各国科研工作者一直在努力开发新型可再生能源来解决能源匮乏和使用传统石化能源时存在的问题。为解决这一问题, 科研人员尝试将周围环境中的潜在能源加以利用转换, 其中, 光能、风能、太阳能等清洁能源逐渐引起人们的重视[1,2]。生活中振动产生的机械能以其几乎无处不在且具有较高的能量密度等优点更是成为了研究热点。本文基于压电效应基本原理对压电发电装置的设计进行介绍。
1 压电材料基本理论
不同于静电电容式发电、电磁发电等方式的发电机理, 压电晶体的发电原理有其独特的特点与要求, 如激振力的振幅、频率等对产生电能的影响。针对这些不同点, 下面从压电效应原理与压电方程组两个方面进行简要介绍。
1.1 压电效应原理
压电效应[3]的机理是:当外力作用在具有压电性的晶体上时, 晶体随之发生形变, 由于晶体较低的对称性, 晶胞中正负离子产生的相对位移使晶体发生宏观极化。因此当压电材料受力发生形变时, 它的两个表面会出现异号电荷, 也就是正压电效应。
1.2 压电方程组
压电晶体是压电发电装置的核心元件, 根据压电晶体所处的机械边界条件和电学边界条件的不同, 将压电方程分为四类, 第一类方程组 (机械自由压电和电学短路方程组) 可描述为[4]:
上式中D为电位移, d为压电常数, T为应力, εT为恒定机械应力下的介电常数矩阵, E为电场强度, S为应变张量, 电场强度恒定时, sE表示机械柔度矩阵用;dt为d的转置;第一个方程为正压电效应的表达式, 第二个方程为逆压电效应的表达式。
2 装置的结构设计
图1所示的压电发电装置的结构由压电叠堆、预压弹簧、支撑弹簧、激振板、支撑架、力传感器、底座等构成。
压电叠堆受到激振板传递的外部激振力F, 预压弹簧在其中起到缓冲的作用, 压电叠堆受力发生变形并输出电荷, 进而实现机械能向电能的转换。支撑弹簧与支撑架用来防止压电堆叠形变过大;激振板的受力大小用力传感器来检测;压电堆叠由200片的压电陶瓷片按照机械串联和电学并联方式构成, 其中单片尺寸长、高、厚分别为37m m、74m m和0.2m m。
3 压电发电的输出特性
想要设计出高性能的压电发电装置, 必须分析压电材料的输出电流、输出电压对装置性能的影响以及负载电路对输出功率的影响。下面本文将针对电流输出特性进行简要介绍。
设压电片的长、宽、厚分别为用l、a和h表示。
在外力F=F1sin (ωt) 的作用下, 对压电材料输出表达式中第一类压电方程组进行分析。外力F表达式是关于时间t的一元函数, 则D、E、S、T都为关于时间t的函数, 因此方程组中可以表达为:
沿压电振子表面对式 (3) 进行积分, 可以得到:
图2外接负载示意图是压电振子的等效电学模型。RL是外接负载, 阻值为R, i0 (t) 表示压电陶瓷流向负载的输出电流, i (t) 表示电流源Q输出的电流。
微分式 (4) 中t, 整理得到:
将 (6) 代入 (7) , 可以得到:
由电学等效模型可知i (t) 与E (t) 有如下关系:
将式 (9) 代入式 (5) 整理得:
由i (t) 的微分方程式 (10) , 整理得:
式 (11) 中C为未知实数, 进行分析可得知C等于零。又由电学等效模型可知:
将式 (8) , 式 (12) 代入式 (11) , 整理得到输出电流解析式:
根据以上推导的理论数学公式, 代入数值进行分析, 可以得到, 在受到规则的激励作用或交变的外力时, 压电晶体开路状态下输出电流是交变的。以式 (13) 对峰值为500N, 频率为10H z的外力F的作用下的压电发电装置进行模拟分析, 相关参数如下表所示。
4 结束语
压电效应技术以其独有的优势在当今能源需求不断增长的情况下, 得到了日益广泛的应用。本文从压电材料基本理论、压电发电装置、压电发电的输出特性以及压电发电的应用四个方面, 针对压电效应的能量转换进行了相关介绍。基于压电效应的能量转换是一种无污染可循环的新型能源, 发展前景一片光明, 相信将来在新能源开发中压电技术必定会是不可或缺的部分。
参考文献
[1]王剑, 郭吉丰, 郭帅.压电发电技术研究综述[J].压电与声光, 2011.
[2]温永清, 刘小鱼, 鲁飞, 孙良成, 刘树峰, 贾涛.压电发电技术及其应用研究[J].稀土, 2013.
[3]张福学, 王丽坤.现代压电学[M].北京:科学出版社, 2002.
[4]宋道仁, 肖鸣山.压电效应及其应用[M].北京:科学普及出版社, 1987.
能量转换系统 篇2
B.系统内生物体能量代谢的过程
C.系统内伴随物质循环的能量转移过程
D.能量从生物体进入环境的过程
解析 熟记能量流动的概念，理解能量流动的含义，是解题的关键所在。可以根据下图理解能量流动过程。
[呼吸作用][分解者][太阳能→生产者→初级消费者→次级消费者→三级消费者→…] [呼吸作用]
答案 C
点拨 生态系统的能量流动是从生产者固定的太阳能开始的，能量沿着食物链的`各个营养级由一种生物转移到另一种生物体内。由于能量存在于有机物中，所以能量的流动过程是伴随着物质的循环而进行的，明确以上内容，防止出现ABD选项中知识理解错误造成的干扰。
[ 能量流动的相关计算]
能量流动有着一个计算的办法，用公式表达为：
相邻两个营养级的传递效率=[下一营养级的同化量上一营养级的同化量]×100%
例2 下图为生态系统中能量流动图解部分示意图，①～⑥各代表一定的能量值，下列各项中不正确的是( )
[分解者][生产者][初级消费者][次级消费者][三级消费者] [①][②][③][④][⑤][⑥]
A.生物与生物之间吃与被吃的关系不可逆转，所以能量流动具有单向性
B.①表示流经生态系统内部的总能量
D.从能量关系看②>③+④
答案 B
回答下列问题：
(1)请画出该生态系统中的食物网。
(2)甲和乙的种间关系是 ;种群丁是该生态系统生物组分中的 。
聚焦生态系统能量流动 篇3
有关生态系统中的能量流动需要牢记以下三点：几乎所有生态系统的能量源头是太阳能；能量沿着食物链流动时，每一营养级都有输入、传递、转化和散失的过程；生物体的遗体残骸是分解者能量的来源。
例1 生态系统的能量流动是指（ ）
A.太阳能被绿色植物固定的过程
B.系统内生物体能量代谢的过程
C.系统内伴随物质循环的能量转移过程
D.能量从生物体进入环境的过程
解析 熟记能量流动的概念，理解能量流动的含义，是解题的关键所在。可以根据下图理解能量流动过程。
[呼吸作用][分解者][太阳能→生产者→初级消费者→次级消费者→三级消费者→…] [呼吸作用]
答案 C
点拨 生态系统的能量流动是从生产者固定的太阳能开始的，能量沿着食物链的各个营养级由一种生物转移到另一种生物体内。由于能量存在于有机物中，所以能量的流动过程是伴随着物质的循环而进行的，明确以上内容，防止出现ABD选项中知识理解错误造成的干扰。
能量流动有着一个计算的办法，用公式表达为：
相邻两个营养级的传递效率=[下一营养级的同化量上一营养级的同化量]×100%
例2 下图为生态系统中能量流动图解部分示意图，①～⑥各代表一定的能量值，下列各项中不正确的是（ ）
[分解者][生产者][初级消费者][次级消费者][三级消费者] [①][②][③][④][⑤][⑥]
A.生物与生物之间吃与被吃的关系不可逆转，所以能量流动具有单向性
B.①表示流经生态系统内部的总能量
C.一般情况下，②为①的10%～20%
D.从能量关系看②>③+④
解析 能量流动在生态系统内部是单向不可逆的，因为各营养级的顺序不可逆转（捕食与被捕食）是自然选择的结果。图示中①是流入初级消费者的能量而不是生产者固定的太阳能；②是次级消费者同化量，①是初级消费者同化量，相邻营养级之间的能量传递效率在10%～20%；③是次级消费者流入下一营养级能量，④是次级消费者遗体被分解者分解所利用能量，②中还有被次级消费者通过呼吸作用散失的能量。
答案 B
例3 某陆地生态系统中，除分解者外，仅有甲、乙、丙、丁、戊5个种群。调查得知，该生态系统有4个营养级，营养级之间的能量传效率为10%～20%，且每个种群只处于一个营养级。一年内输入各种群的能量数值如下表所示，表中能量数值的单位相同。
[种群＼&甲＼&乙＼&丙＼&丁＼&戊＼&能量＼&3.56＼&12.80＼&10.30＼&0.48＼&226.50＼&]
回答下列问题：
（1）请画出该生态系统中的食物网。
（2）甲和乙的种间关系是 ；种群丁是该生态系统生物组分中的 。
解析 （1）根据题干可知：营养级之间的能量流动效率10%～20%；每个种群只处于一个营养级。戊占有能量最多，应属于第一营养级；乙和丙能量值处于同一数量级并且二者之和（23.1）介于戊能量值的10%～20%（10.20%），故乙和丙应同属于第二营养级；甲能量值介于第二营养级的10%～20%（15.4%），应属于第三营养级；丁能量值介于第三营养级的10%～20%（13.48%），应属于第四营养级。
（2）根据（1）的食物网可推知，甲乙种间关系是捕食；题干已声明所列数据不包括分解者，而戊属于第一营养级，为生产者，因此其余生物包括丁在内均为消费者。
答案 （1）
[乙][丙][甲→丁][戊]
（2）捕食 消费者
能量金字塔是根据组成食物链的各个营养级的层次和能量传递的“十分之一定律”，把生态系统中的各个营养级的能量数值绘制成一个塔，塔基为生产者，往上为较少的初级消费者（植食动物），再往上为更少的次级消费者（一级食肉动物），再往上为更少的三级消费者（二级食肉动物），塔顶是数量最少的顶级消费者。能量金字塔形象地说明了生态系统中能量传递的规律。
[营养级][能量][低][高][高][低][1
10
100
1000
10000]
例4 用多个营养级生物的能量、数量构建的金字塔分别称为能量金字塔、数量金字塔。在某一栎林中，第一营养级生物为栎树，第二营养级生物为昆虫，第三营养级生物为蛙、蜥蜴和鸟，第四营养级生物为蛇。该栎林数量金字塔的示意图是（ ）
解析 在数量金字塔中昆虫的数量远远大于栎树的数量，第三营养级生物数量小于昆虫的数量，第四营养级生物的数量小于第三营养级生物的数量，故选B项。
能量转换系统 篇4
太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,而对其的利用率却不是很高,在目前倡导绿色能源节能减排的环境下,能够充分利用好太阳能是一件利国利民的事情[1]。本文论述了将太阳能转换为电能并作为系统的能量来源,实现最大光强采集,供给负载能量,清洁、稳定可靠、功耗小、效率高,具有一定的实际意义。
在教室、仓库、大棚等一些场所需要实时监测温湿度情况并对其分析,以便做出相应的措施。本系统从实际出发,实现对温湿度、时间等数据的采集显示和控制,使设计更有应用价值。
1 系统总体方案设计
系统以51单片机为控制核心,通过最大光强点追踪实现将太阳能转换为电能给负载供电,以温湿度传感器SHT11为测量元件,构成智能温湿度测量系统;利用DS1302时钟芯片采集时间量;同时把采集到的数据通过RS-232总线上传给电脑分析,并在LCD1602显示出来。通过按键调整时间,并对温湿度超限值进行模拟报警等。系统设计方案如图1所示。
具体讲,本系统主要包括两个部分:一是寻求最大太阳辐射的光电能量转换系统,这是设计的重点和特色;另一个是数据采集系统,包括温湿度和时间信息采集,另外为叙述方便,也将外围模块如RS-232通信、键盘、显示、报警等归入采集系统。下面将对两个系统做具体介绍。
2 光电能量转换系统
利用太阳能电池把太阳能转换成电能并存储在蓄电池里,通过单片机控制获得最大的太阳辐射并给单片机供电。该模块框图如图2所示。
2.1 可行性与创新性说明
利用太阳能作为系统能量的来源,不仅解决了断电或者电网异常带来的问题,而且对最大光强点追踪策略的实现,使得太阳能的利用率得到提高,符合当今环保低碳的主题,并易于推广,对提高太阳能的利用率有参考意义。
单片机消耗的功率小,用太阳能板吸收的能量经过控制转换得到的电能适宜作为系统的供电来源,关键是如何使系统简单方便又能提高效率。本设计在控制方法选取上,考虑到季节、天气等影响,排除固定坐标转动太阳能板的方法,而是利用光敏器件跟踪和程序控制的方法,让太阳能板自动随最大光强点转动,简单可靠。经过分析调试,把构建的电路放在各种环境下进行测试,结果环境亮度不影响电路的准确控制,能够达到预期的性能指标。
2.2 设计原理
利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理,将四个相同的光敏电阻分别放置于一块电池板东西南北方向边沿处,两个舵机分别控制太阳能板的横纵轴转动。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时,四个光敏电阻接收到的光照强度相同,它们的阻值相等,此时舵机不转动;当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时,接收光强多的光敏电阻阻值减小,经过比较器输出高低电平,驱动舵机转动,偏过一定角度。直至两个光敏电阻上的光照强度相同,此时舵机钳住,等待下一次偏差量。硬件示意图如图3所示。
2.3 数据处理部分
采用LM393比较器来处理数据,电路原理图如图4所示。零电位调整单元以抵消零点漂移的直流信号。比较器对输入信号进行判断,将光敏电阻的变化值转化为电压值,当输出信号的强度大于一定值时,给单片机高电平信号;反之,提供低电平信号,这样能屏蔽一些微小信号的扰动,使系统稳定工作。
2.4 控制单元
根据比较器送来的数字量,控制舵机的工作状态。本系统选择用舵机来控制太阳能电池板的转向,原因有三个:一是舵机可以达到对角度较准确的控制;二是舵机可以钳住已给定的角度,不易受外界因素的影响;三是舵机的控制比较简单,只需改变占空比就能改变舵机的角度,减轻单片机的工作量。图5为舵机的控制接线图。
舵机的控制一般需要一个20 ms左右的时基脉冲,该脉冲的高电平部分一般为0.5～2.5 ms范围内的角度控制脉冲部分。以180。角度伺服为例,那么对应的控制关系如图6所示。
根据采集到的光强的情况决定舵机偏转一定的角度,那么相应地调整输入信号脉冲宽度即改变占空比的大小,就能调整太阳能板的方向。
3 数据采集系统设计
3.1 温湿度采集电路
SHT11数字温湿度传感器采用CMOSens技术,将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、二线串行接口全部集成于一个芯片,无需外围器件,具有高度的可靠性和长时间的稳定性。SHTll通过两线串行接口电路与单片机连接,该电路如图7所示[2]。
其中,串行时钟输入线SCK用于单片机控制器与SHT11之间的通信同步,串行数据线DATA用于内部数据的输出和外部数据的输入,上拉电阻保证传输的稳定性。
3.2 时钟电路模块
实时时钟电路DS1302是一种具有涓细电流充电能力的电路,采用串行数据传输,具有掉电保护功能[3]。采用32.768 k Hz晶振。电路图如图8所示。
3.3 单片机外围电路的设计
单片机外围电路主要包括RS-232通信电路、键盘输入电路以及报警电路、复位电路、显示电路等。在此简单介绍键盘输入模块[4]。
本系统采用独立式键盘,表1为按键功能表,图9为线路示意图。能实现对时间数据的修改和对温湿度上下限值的设定。
4 软件设计及Proteus仿真
4.1 主程序流程
软件开发环境为KEIL4,程序用C语言编写。初始化子程序含:时钟、I/O端口和液晶显示等模块。功能子程序含:舵机控制、温湿度测量并转化、时钟数据采集并转化、键盘处理、延时、中断输出控制等。主程序的流程图如图10所示。
4.1.1 舵机控制子程序
程序算法(X轴和Y轴的控制方法一样,这里只介绍X轴):X轴的两个光敏电阻采集到的光强分别经比较器得到数字量送给单片机,单片机对两个量进行分析,如出现差值则驱动舵机,否则返回等待下一次出现差值。程序流程图如图11所示。
4.1.2 测温湿度子程序流程图
温湿度采集子程序如图12所示[2]。SHT11温度检测值线性好,当单片机供电为5 V时,其分辨率为14位,用公式T=-40+0.01M,将温度读数M转换成温度值T;SHT11相对湿度输出呈非线性,SHT11里面是12位湿度传感器,用公式补偿相对湿度读数N的非线性:RHL=(-4+0.040 5N-2.8×10-6N2)%。
4.1.3 按键控制子程序流程图
通过S1进入调整温湿度模式或者时间模式,通过S2和S3对设定值进行加减操作,或者对时间进行调整。按键控制子程序图如图13所示。
4.2 系统调试与仿真
系统用Proteus实现仿真,与KEIL结合进行程序调试。调试过程中先进行硬件电路检查,确定无误后对各部分子电路编写程序进行调试。通过搭建实际电路调试,结果温度误差不超过0.1℃,湿度控制在2%之内;太阳能板能够循着最大光强方向转动,经过控制单元的电池板提高了对太阳能利用率。表2和表3分别为实际电路测试所得的结果[5,6]。
注:太阳能电池板额定电压6.2 V,电流140 m A,测量时负载为电阻,光照强度的测量仪器为佳信的LX-1010B,分别在一天的不同时段测得。
5 结语
基于单片机的光电能量转化数据采集系统安装简单方便,系统稳定可靠,可维护性好,抗干扰性能好,能够满足温室环境的设计要求。在后续程序设计中,可以增加和上位机的联机通信及对不同组数据的存储计算等。系统可拓展性强,具有实用价值。
参考文献
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[4]周国运.单片机原理及应用(C语言版)[M].北京:中国水利水电出版社,2009.
[5]江和.PIC16系列单片机C程序设计与PROTEUS仿真[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.
对系统应用能量解题的思路 篇5
一、绳模型
例1 如图1，跨过同一高度处的光滑滑轮的细线连接着质量相同的物体[A]和[B]，[A]套在光滑水平杆上，定滑轮离水平杆高度为[h=0.2m].开始让连接[A]的细线与水平杆夹角[θ=53°]，将[A]由静止释放，在以后的运动过程中，求[A]所能获得的最大速度[（cos53°=0.6，sin 53°=0.8）].
图1
分析 对[A]球与[B]球的联系分析：由于物体[A]与物体[B]用绳子拴着，它们的联系是通过绳子来体现的，所以[A、B]两物体沿着绳子方向的速度大小相等，当物体[A]滑至左滑轮正下方达最大速度[vAm]时，物体[A]沿绳方向的速度分量为零，即此时物体[B]速度为零.
对[A]球与[B]球的几何分析：由于绳长不变，物体[B]下移的高度为[hB=hsinθ-h]
对[A]球与[B]球的能量分析：物体[B]的重力势能减少了[mg（hsinθ-h）]，物体[A]的动能增加了[mv]，对于[A、B]组成的系统，机械能守恒.
解析 当物体[A]滑至左滑轮正下方达最大速度[vAm]时，物体[A]沿绳方向的速度分量为零，即此时物体[B]速度为零，此过程物体[B]下移的高度，有
[hB=hsinθ-h]
由[A、B]组成的系统机械能守恒，有
[mg（hsinθ-h）=12mvAm2]
所以[vAm=2gh1sinθ-1]
二、杆模型
例2 光滑的长轨道形状如图2，底部为半圆形，半径为[R]， 固定在竖直平面内，[A、B]两质量相同的小环用长为[R]的轻杆连接在一起，套在轨道上.将[A、B]两环从图示位置由静止释放，[A]环与底部的距离为[2R].不考虑轻杆和轨道的接触，即忽略系统机械能的损失，求[A]环到达最低点时，两环速度大小.
图2
分析 对[A]环与[B]环的联系分析：由于[A]环与[B]环用木杆连着，它们的联系是通过木杆来体现的，所以[A]环与[B]环在沿着木杆的方向速度大小相等.
对[A]环与[B]环的几何分析：当[A]环到达轨道最低点时，[B]环也已进入半圆轨道，如图3.
对[A]环与[B]环的能量分析：[A]环下降，它的动能和重力势能增加；[B]环下降，它的动能和重力势能增加. 对于[A]环与[B]环所组成的系统，机械能守恒.
解析 当[A]环到达轨道最低点时，[B]环也已进入半圆轨道，如图3，由几何关系知两环的速度大小相等（设为[v]），由机械能守恒定律，有
图3
[12?2mv2=mg?2R+mg（2R+Rsin 30°）]
解得[v=3gk2]
三、接触模型
例3 如图4，一个内壁光滑的半圆形圆弧槽，半径为[R]，质量为[m]，放在光滑的水平地面上，现将一根质量为[M]的光滑木棒由圆弧槽的顶端自由释放，由于木棒放置在卡槽内导致木棒不能水平移动，当木棒运动到圆弧槽底端时，圆弧槽的速度是多少？
图4
分析 对木棒与圆弧槽的几何分析：木棒运动到圆弧槽底端下降的高度为[R]，圆弧槽水平移动了位移为[R].
对木棒与圆弧槽的能量分析：木棒运动到圆弧槽底端， 其重力势能减少了[Mg?R]， 圆弧槽水平移动， 它的动能增加. 对于木棒和圆弧槽所组成的系统，机械能守恒.
解析 以木棒和圆弧槽组成的系统为研究对象，由机械能守恒定律，有
[12?mv2=Mg?R]
解得[v=2MgRm]
四、弹簧模型
例4 如图5，轻弹簧一端与墙相连处于自然状态，质量为4kg的木块沿光滑的水平面以5m/s的速度运动并开始挤压弹簧，求木块被弹回速度增大到3m/s时弹簧的弹性势能.
图5
分析 对木块与轻弹簧的能量分析：木块的速度由5m/s变成3m/s，木块的动能减少，弹簧被压缩，弹簧的弹性势能增加. 对于木块和弹簧所组成的系统，机械能守恒.
解析 由机械能守恒，有
[12mv02=12mv12+Ep1]
所以[Ep1=12mv02-12mv12=12]×4×（52-32）J=32J
如 图，质量为[m1]的物体[A]经一轻质弹簧与下方地面上的质量为[m2]的物体[B]相连，弹簧的劲度系数为[k，A、B]都处于静止状态. 一条不可伸长的轻绳绕过轻滑轮，一端连物体[A]，另一端连一轻挂钩. 开始时各段绳都处于伸直状态，[A]上方的一段绳沿竖直方向. 现在挂钩上悬挂一质量为[m3]的物体[C]并从静止状态释放，已知它恰好能使[B]离开地面但不继续上升. 若将[C]换成另一个质量为[（m1+m2）]的物体[D]，仍从上述初始位置由静止状态释放，则这次[B]刚离地时[D]的速度的大小是多少？已知重力加速度为[g].
奥迪汽车能量管理系统 篇6
汽车能量管理系统, 也称汽车能量管理系统, 是指相关的控制单元根据蓄电池的实际电量、车辆的用电设备使用状况等信息, 计算得出需要的控制值, 从而完成对汽车能量的科学、合理、有效的管理与调配。
1 能量管理系统作用
能量管理系统的作用是通过控制单元检测蓄电池的充电状态, 在极端用电情况下, 通过车载网络CAN控制和切断用电设备, 调整发电机的最理想充电电压、减少负荷 (减少用电设备) 、提高发动机的怠速转速、优化和保障起动性能, 以便改善和延长蓄电池的使用寿命。
2 能量管理系统的组成
能量管理系统由蓄电池诊断、休眠电流管理和动态能量管理三个功能单元组成, 这些功能单元在不同的车辆状态下开始工作。
1) 蓄电池诊断由始终处于工作状态的蓄电池管理单元负责。
蓄电池诊断单元持续监测蓄电池的工作状态。蓄电池监控单元里的传感器随时测得蓄电池的温度、电压、电流。由此来判定蓄电池当前的充电状态和功率。
2) 休眠电流管理由驻车后才开始工作的静态电流管理单元负责。
汽车停放期间降低电流的消耗由休眠电流管理。点火开关处于关闭状态时, 参考着蓄电池诊断给出的数据, 根据蓄电池的实际电压, 它自动控制对各种不同电器的电流供给, 逐步关闭一些用电设备, 以免蓄电池过度放电, 从而使汽车的汽车的起动性能始终得到保证。
用电器关闭分为六个等级。断电等级1:舒适CAN的部分用电设备关闭。断电等级2:舒适CAN的更多用电设备关闭, 并对部分信息娱乐系统功能进行限制。断电等级3:降低静电的操作。断电等级4:运输模式, 由控制单元主动实现, 能量管理系统不能自发实现。断电等级5:暂停静态加热。断电等级6:减少总线系统的唤醒次数, 只能通过打开点火开关激活。
3) 动态能量管理单元负责监控电气系统负载情况, 发动机运转时工作。
通过测量电气系统电压、蓄电池电流和发电机的负载情况, 来监控电气系统的负载情况。将发电机产生的直流电流按实需分配给不同的用电设备。当发电机产生的直流电流超过用电设备消耗所需, 它会主动处理和调节, 从而对蓄电池进行最佳充电。若监控到蓄电池电压降低, 则减少负载、大功率加热系统调节、怠速转速提升、发电机启动、发电机动态调节等。
3 测量原理
蓄电池监控控制单元J367是该系统一个重要的部件, 其安装在汽车蓄电池的负极上, 负责测量测量汽车蓄电池的充电和放电电流、电压、温度。
电流测量, 在蓄电池负极上进行。流入负极的总电流会流经蓄电池监控单元内一个阻值是毫欧级的并联分流电阻, 这个并联电阻上的压降大小与流过的电流成正比关系, CPU可以测量电压降, 从而计算出流入或流出蓄电池的电流大小。
电压测量, 在蓄电池正极上进行, 有一根测量导线从蓄电池正极接到蓄电池监控控制单元上。
温度测量, 在蓄电池监控单元单元的负温度系数的NTC传感器内进行。测得的蓄电池温度由软件进行处理。蓄电池温度是根据特性曲线和环境温度计算出来的。
4 诊断与检测
使用奥迪专用诊断仪可以从数据总线诊断控制单元下的引导性功能查询里进入, 可以读取故障记录、读取测量值块、也可以读取到历史数据值:静态电压历史数据、静态电流历史数据、空载电流欠范围、空载电流过范围、切断级历史、蓄电池更新历史、车辆能量急缺状态时的数据、发电机偶发故障历史数据、自动起停历史数据等。历史数据将记录发生时间、发生频次、发生原因等等。在此列举几项历史数据予以说明。
4.1 静态电压历史数据
从静态电压历史数据中可以读到低于蓄电池的电压:12.5V、12.2V、11.5V。
当满足以下测量条件后, 数据开始记录:舒适CAN系统休眠、点火开关15号接线柱已切断至少两小时、车上电流消耗小于100m A。
当满足以下测量条件后, 数据结束记录:电流升高、电压升高、控制单元停止休眠、控制单元识别到新蓄电池。
这些历史数据上按以下格式存储:YYYY-MM-DD-hhmm*DD.D*LL*GGGGG***。YYYY-MM-DD=日期;hh-mm=时间;DD.D=空载电压欠范围的时间 (以小时计) ;LL=蓄电池序列号;GGGGG=空载电压欠范围事件的总次数。需要注意长时间低于12.2V和11.5 V电压值, 说明蓄电池处在耗电状态将会导致蓄电池损坏, 必须对蓄电池进行检测。
超过50m A的静电流是临界值, 因此历史数据中会记录并能读出最后十条超过50m A的数据。
出现以下情况时, 开始测量电流:CAN舒适系统休眠、15号接线柱至少已切断两小时了、车上电流消耗大于50m A、出现以下情况时, 结束电流测量:电流下降、控制单元停止休眠模式。
4.2 切断级历史数据
在切断级历史数据内记录了最后15条切断等级。在故障存储器内也会记录切断等级。这些历史数据按以下格式存储:
JJJJ-MM-TT-hh-mm*A*Q*SSS*BBB*+EE.ee*1-2-3-4-5-6*G*K*OO.o*PP.p**
YYYY-MM-DD=设置切断级的日期;hh-mm=设置切断级的时间;A=切断级;Q=不相关;SSS=蓄电池充电状态 (SOC) (%) ;BBB=不相关;+EE.ee=蓄电池电流;1=危险警告闪烁 (0=关闭, 1=打开) ;2=停车灯 (0=关闭, 1=打开) ;3=侧灯 (0=关闭, 1=打开) ;4=近光灯 (0=关闭, 1=打开) ;5=雾灯 (0=关闭, 1=打开) ;6=远光灯 (0=关闭, 1=打开) ;G=变速箱档位;K=驻车加热 (1=打开, 0=关闭) ;OO.o=端子15接通的持续时间 (以小时计) ;PP.p=总线唤醒的持续时间 (以小时计) 。
切断级历史数据触发原因:0=电流的原因;1=蓄电池内部电阻太高、充电状态太低、损失电容太高;2=此刻放电电流下的蓄电池起动临界电压;3=1和2同时出现;4=充电状态小于30%;5=1和4同时出现;6=2和4同时出现;7=1、2和4同时出现。
5 使用注意事项
在充电和跨接起动时, 要把充电电缆先接到正极接线柱上, 然后再接到车身搭铁上。如果直接在负极接线柱上给蓄电池充电的话, 就会绕开蓄电池传感器。则在充电过程中, 传感器就无法获得蓄电池数据, 数据总线诊断接口内存储的关于蓄电池状态的数值与充过电的蓄电池数值将不一致。另外为了保证在检测发电机时不会发生“能量回收”, 检测时需要打开近光灯。
奥迪汽车能量管理系统, 目前在奥迪所有车型是标准配置, 通过能量管理系统的工作, 可以更加科学、合理的管理和利用车辆上的电能, 大大延长了蓄电池和发电机的使用寿命, 也在一定程度上降低了发动机的油耗。
摘要：由于奥迪车的车载网络的大量运用, 再加上越来越多的汽车电气部件和控制单元, 因此奥迪车较早采用汽车能量管理系统技术。通过能量管理系统的工作, 可以更加科学、合理的管理和利用车辆上的电能, 大大延长了蓄电池和发电机的使用寿命, 也在一定程度上降低了发动机的油耗。
关键词：能量管理,蓄电池,监控单元,功能单元
参考文献
[1]Horst Gering.现代汽车的能量管理系统[J].汽车与配件, 2008 (44) :24-25.
[2]Wilfried Staudt.汽车机电技术 (一) 学习领域1—4[M].北京:机械工业出版社, 2008.
转换配电系统设计与应用 篇7
飞机上交流电源并联难度较大, 目前国内采用交流供电的多发飞机, 大都使用转换配电, 转换配电具有以下优点:发电机之间不需要设置自动负载均衡电路和有功、无功负载分配电路, 使发电机系统的调节、保护电路较为简单;用电设备的接通、断开只影响一台发电机相关的负载, 对其它发电机的负载没有影响;系统故障电流较小, 对断路器分断电流能力要求较低;不会由于发电机之间的环流而引起系统输出功率下降。
2 飞机电源和负载情况介绍
该大型飞机采用混合电源系统, 该系统由四台发动机驱动的12台发电机及其配套的发电机控制器组成。每台发动机驱动两台直流起动发电机和一台交流发电机。四台交流发电机是直接由发动机刚性传动, 频率不一致, 无法并联。机上交流负载多是大电流加温负载, 对电源品质要求不高。
2.1 交流主电源
四台12KVA 115V 400Hz单相交流发电机及其配套发电机控制器。
2.2 二次电源
一台静止变流器额定电压28V, 主输出单相115VAC, 辅助输出36VAC, 额定频率400Hz, 额定功率750VA。
2.3 地面交流电源
115V 400Hz 200A单相交流电源, 通过地面电源插座连接到飞机上。
2.4 负载情况介绍
2.4.1关键大负载:四台发动机螺旋桨加温, 单台加温功率7KVA, 因为功率限制, 将两外发和两内发轮流加温。实际使用功率为14KVA。必须由两个汇流条供电。
2.4.2 两块风挡玻璃加温, 每块功率3KVA, 共6KVA。
2.4.3 其余用电设备功率较小, 略。
2.4.4飞机用电设备按其在飞机任务中的重要性可分为一般用电设备、重要用电设备和关键用电设备。一般用电设备是用于改善飞行条件而不影响飞行任务和安全的设备, 如食品柜等, 在电源出现故障, 导致容量不够时, 优先切除一般用电设备。重要用电设备是指飞机完成任务所必须的用电设备, 如救援飞机中的搜索雷达等设备。关键用电设备是飞机安全飞行和着陆所必须的设备如飞行控制、应急通讯和着陆系统等。
3 配电系统介绍
在进行配电系统设计时, 根据负载统计的结果, 合理分配各汇流条的负载, 设三个正常汇流条分别是1、3、4号发电机汇流条和一个应急汇流条。
因为螺旋桨加温功能关系到飞机飞行安全 (结冰环境) , 功率较大, 占单台发电机功率50%以上, 工作时需要不断自动切换 (轮流加温) 。而且交流电源系统无法并联, 所以对汇流条电压冲击较大且频繁, 使该汇流条上不适合同时给其他小功率用电设备供电。设置1号发电机汇流条给1、3发发动机的螺旋桨及正驾驶风挡玻璃加温供电, 4号发电机汇流条给4、2发发动机的螺旋桨及副驾驶风挡玻璃加温供电, 保证两外发或两内发同时加温。其余交流负载由3号发电机汇流条供电。
具体转换逻辑如下: (1) 正常工作时, 1、3、4发电机分别给对应的汇流条供电, 3号汇流条还给应急汇流条供电, 2号发电机为热备份。 (2) 当仅一台发电机故障时:故障发电机对应的主接触器自动跳转, 该故障发电机被断开, 汇流条转由其它发电机供电。需要特别注意的是, 当四号发电机故障时, 除对应主接触器BTB4跳转外, 接触器BTB5也跳转, 3号发电机给四号汇流条供电, 3号汇流条转由2号发电机供电。 (3) 当仅两台发电机故障时, 除故障发电机对应的主接触器跳转外, 接触器BTB6和继电器BTB7也同时跳转。保证1、4汇流条供电, 3号汇流条断开, 应急汇流条转由静止变流器供电。 (4) 当三台发电机故障时, 3号汇流条断开。如果仅剩下1或4号发电机正常, 则只有对应的汇流条有电;如果仅剩下2或3号发电机正常, 则1和4号汇流条同时有电, 发电机过载跳开。
图1中接触器BTB6和继电器BTB7由自动转换逻辑电路控制, 电路实现功能:当任意两台及以上发电机故障时, 输出高电平。从而控制BTB6和BTB7同时跳转。自动转换逻辑电路图如下:
4 结束语
该配电系统设计满足飞机需求, 汇流条分配合理, 电网转换线路少, 节省重量;转换逻辑简单、可靠。但该配电系统仍然存在缺陷:当三台发电机故障, 仅剩2号或3号发电机正常时, 1号和四号汇流条同时被供电, 发电机容量却不够, 被迫断开, 电能未得到运用。
摘要：配电系统是飞机重要的组成部分, 对于无法并联的独立配电系统, 运用转换配电将故障电源隔离, 并将该汇流条转接到其他正常电源上, 以提高飞机可靠性。文章就某四发飞机交流电源系统进行研究, 设计了一个简单的自动转换配电系统, 使用六个一路转换接触器和五个继电器实现全部转换, 减轻了配电重量。
关键词：配电系统设计,转换配电,飞机
参考文献
[1]GJB 181A-2003飞机供电特性[S].
[2]严东超.飞机供电系统[M].北京:国防工业出版社, 2010.
[3]马述训.飞机设计手册-电气系统设计16册[M].北京:航空工业出版社, 1999.
能量系统效率问题的探讨 篇8
能量系统效率作为能量系统的评价指标, 根据效率的不同定义可以看出评价的目的不一样。一种评价的是能量系统对输入能量的利用状况, 另一种评价的是能量系统对供给能源的利用状况。
列出以评价能量系统对输入能量利用状况为目的的效率定义如下:
——效率为一种机械 (原动机或工作机) 在工作时输出能量与输入能量的比值[1]。
——效率为在一定运行时间内, 一个动力系统输出的有用能量和向它输入的能量之比[2]。
——效率为机器的输出能量与输入能量的比率[2]。
再列出以评价能量系统对供给能源利用状况为目的的效率定义如下:
——效率为当燃料所含的全部可用的可氧化物质都燃烧后, 单位燃料热量输出的程度的量度[2]。
——能量利用效率为有效利用能量占供给能量的百分数。它表示供给能量的有效利用程度[3]。
——锅炉 (热) 效率为单位时间内, 锅炉有效热量占所消耗燃料的供给热量的百分数[3]。
——泵系统运行效率为泵系统运行时管网末端输出的有效功率与电源开关输出端的有功功率之比的百分数。
由上述效率的定义可以看出, 评价目的不一样, 效率定义的含义是有区别的, 因此相应的计算方法也会有所不同。
2 效率计算表达式
2.1 效率计算模型
根据上述效率的定义, 能量系统可以用图1的计算模型来表示。
图1中黑框表示能量系统的边界, EJ为工质 (如需加热或增压的水) 进入系统时带入的能量;EC为工质输出系统时带出的能量;ES为系统的各种能量损失;E供为外界供给系统的能源 (如燃料能、电能等) 。
2.2 效率计算表达式
2.2.1 评价输入能量利用状况的效率计算表达式
为方便分析, 文中将评价输入能量利用状况的效率用η1表示, 计算表达式见式 (1) :
通过图1的平衡关系可以得到:
2.2.2 评价供给能源利用状况的效率计算表达式
将评价供给能源利用状况的效率用η2表示, 计算表达式见式 (3) :
3 对η2计算表达式的分析
3.1 由式 (3) 得出的推断
由式 (2) 可知:
再根据式 (3) 可以得到:
因此, 由式 (3) 得到的推断是:
——外界供给系统的能源E供进入系统后转化为两部分, 一部分转化为工质输出系统时获得的能量增量 (EC-EJ) , 另一部分转化为系统的能量损失ES。
——能量损失ES由E供转化而来的, 与其它项无关。
——工质进入系统时带入的能量EJ随工质输出系统时仍为EJ, 是恒定的, 没有发生变化。
3.2 推断存在的问题
通过分析可以发现, 由式 (3) 得到的推断存在着以下问题:
(1) 图1的计算模型及相应的能量平衡关系表明:ES与E供和EJ都有关, 只有在EJ为零的特殊条件下, ES才仅与E供有关。否则, 不成立。
(2) 进入系统的工质所带入的能量 (如热能、压力能) 在输出系统时会产生损失 (散热损失、摩阻损失等) , 即EJ有一部分会转化为能量损失, 认为:“工质进入系统时所带入的EJ直至输出时没有变化”不符合过程能量变化的特性。
(3) 能量损失ES不仅与E供有关, 与EJ也有关, ES包括了EJ转化的能量损失。
因此, 认为“系统的能量损失ES只与系统供给能E供有关”是片面的, 不是普遍成立的, 只有在特殊条件下才能成立。
3.3 η2的定义及计算方法的不完善
推断出现的问题表明η2的定义及计算方法存在着不完善。工质进入系统所带入的EJ至输出过程会有损失, 输出系统时带出的能量中只能包括EJ的剩余部分, 而不是全部, 由于η2的计算中没有考虑这部分损失, 所以计算结果会产生失真。在某些条件下, 这种失真就会比较严重, 计算结果会出现明显的不合理。分析如下:
根据图1可以得到关系式
如果工质进入系统时所携带的EJ足够大, 而供给系统的E供相对不够大, 且满足以下关系
在此条件下, 由式 (6) 可知EJ>EC, 即EC-EJ<0
因此得到
在实际的能量系统分析中会碰到计算得出的η2为负的事例。例如在油田机械采油井的系统效率测试中, 按η2计算方法得到的结果有时会出现负值, 其实原因就是当油井采出液在地下进入井筒时携带的能量足够大 (相当于EJ) , 由于井筒从井底到地面一般少则几百米, 多则几千米, 地下采出液在井筒流动过程的能量损失ES满足前面分析的条件时, 计算得到的η2就会是负值。
通过理论及实际事例的分析可知, 由于η2的计算方法不合理地将系统的能量损失ES全部归给供给系统的E供, 当工质输入系统时带入的EJ相对于E供足够大, 且能量损失ES也比较大时, 计算的η2就会与实际不符, 产生比较大的失真。
4 η2失真程度的判断方法
4.1 反映能量系统供给能利用状况的实际效率
用η表示反映能量系统供给能利用状况的实际效率, 设ΔES为EJ至输出过程所产生的能量损失, 则
式 (7) 表示了能量系统供给能的实际利用状况, 由于与EJ相关的损失ΔES很难通过测试或计算得到, 所以无法直接由式 (7) 得到η。
4.2 修正效率
η避免了η2的不完善性, 但是难以通过测试或计算得到, 所以无法用η代替η2。通过分析已知η2承担全部ES是不合理的, 因此采用将能量系统的损失按比例分摊的办法来对η2进行修正。ES为能量系统总的能量损失, 包括了EJ产生的损失, 若将ES按E供与EJ的比例进行平均分摊, 分摊给EJ的损失量用ΔE'S表示, 则
对η2修正后的修正效率用ηX表示, 则
4.3 各种效率之间的关系
4.3.1 η与η2的关系
比较式 (7) 与式 (3) , 得到
4.3.2 η2与ηX的关系
ES为能量系统总的能量损失, 包括了传热损失、燃烧损失、传动损失、散热损失、摩阻损失、泄漏损失等各类损失, 而由EJ产生的损失ΔES只与ES中的某些类型的损失有关, 例如可能与散热损失、摩阻损失、泄漏损失有关, 但与燃烧损失、传动损失应该是无关的。对η2的修正中将ES按E供与EJ的比例平均分摊, 分摊给EJ的ΔE'S包括了与ΔES无关的损失, 因此
将式 (7) 减式 (9) , 得到
因此
4.3.3 η1与ηX的关系
对式 (9) 进一步推导, 可以得到
即式 (9) 等于式 (1) , 所以
4.4 η2失真程度的判断
η与η2的差值可以反映η2对于能量系统供给能真实利用状况的失真程度, 若用Δ1表示, 即
用Δ表示η1与η2的差值, 即
由式 (10) 、式 (11) 和 (式 (12) 可得
由式 (14) , 可知
η2的不完善性会导致计算结果失真, 若非出现负值, 一般来说无法判断计算结果的失真大小, 以及这种失真是非可以忽略。有了式 (14) , 就可以利用Δ来确定η2的失真程度, 先用式 (13) 计算得到Δ, 再与设定的允许误差比较, 如果Δ小于允许误差, 那么根据式 (15) 可以断定, η2的失真程度一定在允许误差内, 可以采用;如果大于允许误差, 则不应采用。
5 结束语
目前, 普遍采用η2来评价能量系统对供给能源的利用状况, 但η2的定义及其计算方法存在的不完善所导致的失真通常并未引起人们的注意。尽管在许多情况下η2的失真可以忽略, 但不能避免有时的失真是不可忽略的, 如果不对η2的失真大小做出判断, 这种错误又不易被察觉, 就会导致对能量系统的用能状况做出错误评价。例如, 采用η2对机械采油井的用能状况进行评价, 如果该机械采油井的η1为30%, 当油井的地下采出液带入井筒的能量比较大, 与系统总的输入能量的比值达到0.25时, η2仅为6.67%, 若不考虑η2的失真情况, 就会做出该油井效率太低, 属于高耗能油井的评价。但是, 若注意到η2的Δ达到23.3%, 就会断定η2的失真太大, 不能作为评价的依据。事实上, 如果该油井地下采出液带入井筒的能量比较小, 与系统总的输入能量的比值为0.05的话, 同样η1为30%, η2则达到26.32%。前后两种情况的差别仅仅在于油井地下采出液带入井筒的能量不同而已, 标志能量利用水平的η1是相同的。因此, 当需要采用η2评价能量系统的供给能源利用状况时, 有必要判断η2的失真是否在允许误差内, 如若超出了允许误差, 则不应采用。
摘要：按能量系统效率的评价目的对效率进行了区分, 研究提出了以评价能量系统对供给能源利用状况为目的的效率所存在的不完善性, 分析了影响不完善性的因素以及不同效率之间的关系, 给出了判断效率不完善产生失真程度的方法。目前, 普遍采用评价供给能源利用状况的效率, 有必要判断评价供给能源利用状况的效率的失真是否在允许误差内, 如若超出了允许误差, 则不应采用。
关键词：效率,不完善性,能量系统
参考文献
[1]夏征农等.辞海 (1989年版) .上海:上海辞书出版社, 1990.
[2]现代科学技术词典.上海:上海科学技术出版社, 1980.
电能量采集系统故障排查 篇9
关键词：电能量采集系统,485通讯,电能量采集器
一、电能量采集系统框架
为了更好的完成这项工作, 首先必须对电能量采集系统的组成有一个大致的概念, 如图1所示。
图1显示了电能量采集系统的组成框架, 下面通过数据的收发过程来说明各组件的功能:
1、前置机接收到电能量召测命令后, 通过电力高速网同远端电能量采集器建立tcp连接, 并下发命令。
2、电能量采集器接收到命令后, 通过RS485网络同指定电能表通讯。
3、采集器将从电能表采集的数据, 通过先前建立的连接上传至前置机。
4、数据到达前置机后, 更新数据库, 客户工作站通过WEB服务器访问数据。
因此电能量采集系统现场工作就是确保电能量采集器能正确、顺畅的采集电能表数据, 并确保电能量采集器与主站通讯正常。
二、故障排查及处理
根据前本上一节所述, 电能量采集系统现场调试所遇到的故障也可分为电能量采集器与电能表通讯故障及电能量采集器与主站通讯两大类。
1、电能量采集器与电能表通讯故障
1) 通讯参数错误
通讯参数主要包括通讯规约、通信地址、通信端口号、通信波特率, 任一参数设置错误都会造成通讯故障。对于广泛使用的多功能电能表主要使用DLT645-1997规约, 通讯速率默认为1200, 而现在逐步推广的智能电能表主要使用DLT645-2007规约, 通讯速率默认为2400。使用DLT645-1997规约可以从使用DLT645-2007规约的电能表中采集到数据, 但所采集到的数据是错误的。同时使用大多数电能表通讯地址同电能表表号一致, 但仍有一部分电能表通讯地址同电能表表号相异, 但都可以通过电能表按显获得通讯地址。
2) 电能表通讯接口损坏
正常情况下电能表485输出接口电压应在4~5伏之间, 如果低于这一范围可判定电能表通讯模块故障。
3) 接线错误
电能量采集器一般都有4路或更多路采集通道, 其采集功能都是相互独立的.因此每一路只能接入一个独立的485总线, 两个或以上的4 8 5总线不能有物理连接, 否则会因冲突而造成通讯时断时续。
4) 长距离通讯
在电能量采集系统中, 458通讯线原则上在300米范围内都能通讯。但随着距离的增加, 信号衰减明显, 干扰增加, 因此在长距离通信中, 最好所有带屏蔽线的485电缆, 并确保屏蔽线接地。同时可以在电能量采集器采集口和最远距离的电能表通讯口处各并入一个120Ω的电阻, 以减少信号衰减。如下图所示:
2、电能量采集器与主站通讯故障
1) 通讯参数错误
电能量采集器通过内置网卡同主站通讯, 因此其通讯参数据设置如同电脑中的本地连接设置一样, 需要设置好独立的本地IP地址, 网关ip地址及子网掩码。同时由于电能量采集器与主站通讯中处于被连接方, 因此设置好一个tcp侦听端口后, 需要通知主站。
2) 网络故障
电能量采集器参数设置正确、主站系统正常, 但还是不能通讯, 这时就需要判断是网络故障还是电能量采集器故障, 这时可取下接入电能量采集器的网线头, 插入笔记本电脑中, 设置电脑的本地连接参数与电能量采集器网卡设置一致, 在电脑中运行“开始-运行”, 键入如“ping 192.168.1.1 t”r的命令, 其中“19 2.1 68.1.1”为同一局域中运行的计算机ip地址, 在实际运用中替换成相应的ip地址, 这一ip地址最好选择为与电能量采集器ip不同网段, 如果运行以上命令后, 显示出连续的应答时间, 证明网络不存在故障, 若显示出超时, 则证明网络存在故障。在实际工作中, 可能由于一些电能量采集器路由更新较慢, 需要重启采集器几次后试试。
能量转换系统 篇10
生态系统能量流动包括能量的输入、传递、转化和散失.其内容总结如下表.
例1图1表示某一生态系统的能量金字塔，其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表不同的营养级，E1、E2代表能量的形式.下列叙述正确的是
（）.
A.Ⅰ和Ⅳ是实现物质循环的关键生态成分图1
B.该图所示的食物网只有1条食物链：Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ
C.E1表示的能量主要是通过光合作用所输入的能量
D.能量可在食物链中循环利用
解析本题考查能量流动过程，考查分析问题能力.图中Ⅰ代表生产者，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ都代表消费者，实现物质循环的关键生态成分是生产者和分解者，A项错误.每一营养级的生物种类可能有很多，该图所示的食物网可能由很多条食物链组成，B项错误.生态系统中能量流动是单向的，能量不能循环利用，D项错误.
答案：C
方法归纳流经生态系统的能量还可以用表格形式体现，如下表是某生态系统营养级和能量流动的调查情况[能量单位J/（cm2·a）]，表中的①～④分别表示不同的营养级，⑤为分解者，表中NP=GP-R.
分析根据题干可以推知表中的营养结构关系是②→⑤→④→①→③（但不一定构成一条食物链），这是该生态系统能量流动的途径.流入该生态系统的总能量是②生产者固定的太阳能总量，即871.27J/（cm2·a），可以通过比较生态系统散失的总能量（呼吸消耗部分）比生产者固定的太阳能总量少，推断该系统能量在增加，系统的稳定性会提升.
营养级生物同化作用所固定的能量（GP）生物体贮存着的能量（NP）生物呼吸消耗的能量（R）
①15.912.6813.23
②871.27369.69501.58
③0.880.340.54
④141.2062.0779.13
⑤211.8519.26192.59
二、某营养级能量流动过程（如图2所示）
图解解读：
（1）图中摄入量、同化量、粪便量三者之间的关系：摄入量=同化量+粪便量.流入某一营养级的能量是指该营养级生物的同化量，而不是摄入量；粪便中能量不属本营养级同化量而属“上一营养级的同化量中流入分解者的能量的一部分”.
（2）在各营养级中，能量的三个去路：①通过呼吸作用以热能的形式散失；②被下一营养级生物利用；③被分解者利用.
图3例2某生态系统中有A、B、C、D四种生物，构成食物链A→B→C，D为分解者，如图3是该生态系统中能量流入B处发生的一系列变化示意图，下列说法错误的是 （ ）.
A.图中的甲表示B的同化量，乙表示B用于生长、发育和繁殖的能量
B.参与丁过程的都是异养型生物，包括细菌、真菌等
C.当生态系统处于相对稳定状态时，B的种群数量一般处于K值
D.图中D的能量全部来自B生物
解析本题考查营养级间能量流动过程.当生态系统处于相对稳定状态时，B种群数量达到环境容纳的最大值，一般处于K值；B摄入量为其同化量和粪便量之和，其同化量一部分用于呼吸消耗，一部分用于自身的生长、发育和繁殖；丁过程为分解者的分解作用，分解者主要是营腐生生活的细菌、真菌等，都是异养型生物；D的能量可来自于B的粪便，而此部分属于上一营养级A的能量.
答案：D
方法归纳为便于掌握某营养级能量流动过程，可以用“拼图法”分拆其过程，如图4所示（设在第一、二营养级间流动）.
分析输入第一营养级的能量也即流经整个生态系统的总能量是生产者固定的总能量，即W1，被分解为两部分：一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了（A1），一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖（B1+C1+D1）.而后一部分能量中，包括现存的植物体B1、流向分解者的C1、流向下一营养级的D1.将图中第三营养级同化的总能量D2“拼回”第二营养级，则第二营养级的总能量刚好等于D1，即第二营养级同化的能量；再将D1“拼回”第一营养级，则刚好等于生产者固定的总能量W1.可见，在一个生态系统中，所有生物的总能量都来自W1，所有生物总能量之和都小于W1（呼吸作用消耗的缘故）.
单向流动逐级递减
原因①能量流动是沿食物链进行的，食物链中各营养级之间的捕食关系是长期自然选择的结果，是不可逆转的；②各营养级通过呼吸作用所产生的热能不能被生物群落重复利用，因此能量流动无法循环.
①各营养级生物都会因呼吸作用消耗大部分能量；②各营养级的能量都会有一部分流入分解者，包括未被下一营养级生物利用的部分.
说明①不定时分析：流入某一营养级的能量在足够长的时间内的去路可能有3条，即自身呼吸消耗、流入下一营养级（最高营养级除外）和被分解者分解利用.
②定时分析：流入某一营养级的能量在一定时间内的去路可能有4条，除了上面的三条外，还有一条是既未被自身呼吸消耗，也未被下一营养级和分解者利用，即“未被利用”部分.如果是以年为单位研究，其中“未被利用”部分能量将保留到下一年.
提示影响能量传递效率高低的因素
上一营养级生物呼吸速率越低，或是下一营养级的捕食、同化效率越高，相邻营养级之间的能量传递效率就会越高.代谢所需的酶由生物的遗传基础决定，环境条件会影响生物的代谢和捕食效率.
例3在生态系统中，营养级越高的生物获得的总能量越少.下列解释错误的是（ ）.
A.各营养级中总有一部分能量被分解者利用
B.各营养级中的能量一部分以热能形式散失
C.生物维持自身的生命活动消耗一部分能量
nlc202309041853
D.能量金字塔顶层的生物数量少需要能量少
解析D项应该是能量金字塔顶层的生物因为所处的营养级高，因而获得的能量最少，不能满足太多个体所需.
答案：D
四、能量流动效率的相关计算
能量传递效率是指“相邻两营养级”间的传递效率，即下一营养级全部生物同化量/上一营养级全部生物同化量×100%，而不是相邻营养级中个体间的传递效率，如“一只狼”捕获“一只狐”时，应获得了狐的“大部分能量”而不是获得“ 10%～20%”的能量，“所有狼”可获得“所有狐”的能量才是10%～20%；同一食物链不同环节能量传递效率往往不完全相同，不涉及“最多”、“最少”，计算时不能按10%或20%，而需按具体数值计算.如在食物链A→B→C→D中，能量传递效率分别为a%、b%、c%，若A的能量为M，则D的能量为M×a%×b%×c%；在食物网中，某一营养级同时从上一营养级的多种生物按一定比例获取能量，则按照单独的食物链进行计算后再合并.
例4（综合原创题）回答下列有关能量传递效率问题.
（1）图5为一个草原生态系统的营养结构示意图，E表示牧草一年固定的太阳能总量，E1、E2、E3分别表示流入牲畜、昆虫、鼠的能量.第一营养级传递到第二营养级的能量传递效率是.
（2）在图6所示的食物网中，假如猫头鹰的食物有2/5来自于兔子，2/5来自于鼠，1/5来自于蛇，那么猫头鹰若增加 20 g体重，最少需要消费植物 （ ）.
A.600 g B.900 g C.1 600 g D.5 600 g
图7图8（3）如图7所示的食物网中，若人的体重增加
1 kg，最少消耗水藻kg，最多消耗水藻kg.
（4）有一食物网如图8所示.如果能量传递效率为10%，各条食物链传递到庚的能量相等，则庚增加1 kJ的能量，丙最少含多少能量（ ）.
A.550 kJ B.500 kJ C.400 kJ D.100 kJ
（5）某自然保护区地震后，据不完全统计，植被毁损达到30%以上.图9为该地区在人为干预下恢复过程的能量流动图[单位为103 kJ/（m2·y）]，请回答：
图9①如图所示，输入该生态系统的能量主要是，第一营养级到第二营养级的能量传递效率为 （保留一位小数）.
②图9中A表示，图中未利用部分的能量在生物体内的存在形式是.
③如图所示，除生产者外其他营养级需要补偿能量输入的原因是.计算可知，肉食性动物需补偿输入的能量值至少为×103 kJ/（m2·y）.
解析本题综合考查能量流动的传递效率问题，考查获取信息能力和分析问题能力.（1）该食物网共有4条食物链；牲畜、昆虫、鼠属于第二营养级，由第一营养级传递到第二营养 级的能量传递效率是两个营养级同化量的比值，即（E1+E2+E3）/E.（2）通过食物链（植物→兔→猫头鹰），猫头鹰增加20 g×2/5=8 g，最少需要消费植物的量为8 g×5×5=200 g；通过食物链（植物→鼠→猫头鹰），猫头鹰增加20 g×2/5=8 g，最少需要消费植物的量为8 g×5×5=200 g；通过食物链（植物→鼠→蛇→猫头鹰），猫头鹰增加20 g×1/5=4 g，最少需要消费植物的量为4 g×5×5×5=500 g.所以合计至少需要消费植物200 g+200 g+500 g=900 g.（3）能量在相邻两个营养级间的传递效率是10%～20%.求最少消耗水藻时，选最短的食物链，如水藻→小鱼→人，传递效率按20%计算，设最少消耗水藻为X，则X×20%×20%=1 kg，X=25 kg；求最多消耗水藻时，选最长的食物链，如水藻→水蚤→虾→小鱼→大鱼→人，传递效率按10%计算，设最多消耗水藻为Y，则Y×10%×10%×10%×10%×10%=1 kg，Y=100 000 kg.（4）设丙的能量为x，经丙→丁→己→庚传递到庚的能量为0.5 kJ，则需要丙0.5÷（10%）3=500（kJ），经丙→戊→庚传递到庚的能量为0.5 kJ，则需要丙0.5÷（10%）2=50 （kJ），即丙最少含500+50=550（kJ）的能量.（5）生态系统的能量输入有两种方式：输入太阳能和人为输入有机物，从图可以推知，该生态系统输入的太阳能为3+14+70+23=110×103 kJ/（m2·y），输入的有机物能量为7×103 kJ/（m2·y），所以输入该生态系统的能量主要是生产者光合作用固定的太阳能，第一营养级到第二营养级的能量传递效率为14/110×100%=12.7%（保留一位小数）.图9中A表示细胞呼吸（或呼吸作用），图中未利用部分的能量在生物体内的存在形式是有机物中的化学能.如图9所示，除生产者外其他营养级需要补偿能量输入的原因是植被受损，光合作用能力减弱，流入该生态系统的能量减少；补偿能量输入可以减轻植被恢复的压力.从第二营养级流入第三营养级的能量为：（14+2）-（0.5+4+9）=2.5×103 kJ/（m2·y），肉食性动物需补偿输入的能量值至少为：（0.05+0.25+2.1+5.1）-2.5=5×103 kJ/（m2·y）.
答案：（1）（E1+E2+E3）/E（2）B（3） 25100000（4）A（5）①生产者光合作用固定的太阳能12.7%②细胞呼吸（或呼吸作用） 有机物中的化学能③植被受损，流入该生态系统的能量减少；减轻植被恢复的压力（答出前者即可） 5
五、考查能量流动与物质循环关系（如下表所示）
项目能量流动物质循环（以碳循环为例）
形式以有机物为载体以化学元素形式流动
特点单向流动、逐级递减全球性、循环性
范围生态系统各营养级生物圈（全球性）
联系同时进行，相互依存，不可分割：①能量的固定、储存、转移和释放，离不开物质的合成和分解；
nlc202309041853
②物质是能量沿食物链（网）流动的载体；③能量是物质在生态系统中循环往复的动力
图示
例5下列有关生态系统中能量流动的叙述，正确的是（ ）.
A.兔子吃了1千克的草，则这1千克草中的能量就流入了兔子体内
B.一只狼捕食了一只兔子，则这只兔子中约有10%～20%的能量流入狼的体内
C.生产者通过光合作用合成有机物，能量就从无机环境流入了生物群落
D.生态系统的能量是伴随着物质循环而被循环利用的
解析本题考查能量流动和物质循环关系.兔子吃的草中的能量一部分被兔子同化，一部分残留在粪便中，故A错误；能量传递效率中的10%～20%指的是营养级与营养级之间的传递效率，并非个体与个体之间的，故B错误；生产者通过光合作用合成有机物来固定太阳能，而太阳能来自无机环境，故C正确；生态系统中的能量是单向流动、逐级递减的，最终都会以热能的形式散失，故D错误.
答案：C
六、考查能量流动与生态系统的稳定性
能量流动效率能直接反映生态系统的稳定性，能量在传递过程中，若超过一定的限度，容易引起种群的生长、繁殖或再生等的障碍，从而导致生态系统稳定性的改变.
例6某生态系统中的四种生物构成一条食物链a→b→c→d，通过测定得到这四种生物a、b、c、d所含的有机物总量分别为M1、M2、M3和M4.下列叙述中错误的是（ ）.
A.M1一定不是a种群固定的太阳能总量
B.若M1<5M2，则生态系统稳态可能遭到破坏
C.d个体所含的有机物的质量应比c个体的小
D.若M2大量增加，一般会导致M1减少、M3增加
解析本题考查能量流动对生态系统稳定性的影响.生产者固定的太阳能总量中会通过细胞呼吸损失一部分，故A正确；根据能量流动的特点，前一营养级同化的能量要大于或等于后一营养级同化的能量的5倍，才能满足后一营养级的能量需要，故B正确；相对较高营养级的个体不一定比相对较低营养级的个体小，如虎与兔，故C错误；一定时间内，M2大量增加会导致被捕食者减少，捕食者增多，故D正确. 答案：C
七、以能量流动为中心的生态学综合知识考查
例7某弃耕地的主要食物链由植物→田鼠→鼬构成.生态学家对此食物链能量流动进行了研究，结果如下表，单位是J/（hm2·a）.
植物田鼠鼬
固定的太阳能摄入量同化量呼吸量摄入量同化量呼吸量
2.45×10111.05×1097.50×1087.15×1082.44×1072.25×1072.18×107
（1）能量从田鼠传递到鼬的效率是.
（2）在研究能量流 动时，可通过标志重捕法调查田鼠种群密度.在1 hm2范围内，第一次捕获并标记40只田鼠，第二次捕获30只，其中有标记的15只.该种群密度是只/hm2.若标记的田鼠有部分被鼬捕食，则会导致种群密度估算结果.
（3）田鼠和鼬都是恒温动物，同化的能量中只有3%～ 5%用于，其余在呼吸作用中以热能的形式散失.
（4）鼬能够依据田鼠留下的气味去猎捕后者，田鼠同样也能够依据鼬的气味或行为躲避猎捕.可见，信息能够，维持生态系统的稳定.
解析本题考查能量流动传递效率及能量流动与生态系统结构和功能的关系.（1）田鼠的同化量是7.50×108 J/（hm2·a），鼬的同化量是2.25×10 7 J/（hm2·a），故能量传递效率为2.25×1077.50×108×100%=3%.（2）设1 hm2的范围内种群数量为M，则40M=1530，M=80.若标记的田鼠有部分被鼬捕食，即重捕个体中标记个体数减少，则估算值M偏高.（3）某一营养级的能量，一部分用于呼吸作用（细胞呼吸），一部分用于自身的生长、发育和繁殖.田鼠和鼬都属于恒温动物，进行呼吸作用用于维持体温需消耗大量能量，还有部分能量用于自身的生长、发育和繁 殖.（4）由题意知，通过信息传递，鼬和田鼠的数量基本稳定，可见信息传递可调节生物的种间关系，维持生态系统的稳定.
答案：（1）3% （2）80 偏高
（3）生长、发育、繁殖等生命活动
（4）调节生物的种间关系
（收稿日期：2014-10-15）
闪电定位数据转换与存储系统 篇11
我国目前还没有建立高水平的大范围雷电监测网,但是我国闪电定位技术从20世纪80年代末得到了迅速发展后,目前国内其他专业部门已经发展了一定规模的闪电定位系统。例如,内蒙古先后在呼伦贝尔、兴安盟等地陆续投资建设了23套雷电监测定位系统。现在已基本形成了一张覆盖“内蒙古雷电灾害多发区”的雷电定位监测网。大范围的雷电监测网对于雷电监测站运行监控和建立技术保障规范有着非常重要的意义。
该系统是为了及时方便了解监控到雷电监测站的运行情况而研发的监控系统。以UDP方式实时接收闪电定位数据、仪器状态数据,并存储到本地电脑特定的位置。接收到得二进制状态数据要转存为对应的十进制状态数据文件,且提供转换后文件内的各个字段含义。为了能够及时了了解雷电监测站的运行状态、迅速排除故障,该系统添加了日志文件,详细记录程序启动、状态数据转发、运行错误的错误信息,并存储到本地目录。同时,为了灵活性,程序设置了配置参数信息,修改参数后,只需要重新启动程序文件,就可以按照修改后的参数信息运行。
1 程序设计
1.1 系统物理构成
该系统主要是将各个雷电监测站采集到的数据通过NPORT,以UDP方式传送到本地的信息中心。其简单的流程如下:
这里我们不考虑雷电监测站是如何采集到数据到。只考虑数据是如何传送到信息中心的。
1.2 数据的传输与接收
本系统是以UDP方式实时接收闪电定位数据和仪器状态数据的。UDP是一个简单、面向数据报的无连接协议,提供了快速但不一定可靠的传输服务。它速度快,可以用于广播,且消耗网络带宽小,有消息边界。使用UDP有两种技术。本系统主要使用了Udp Client类,属于System.Net.Sockets命名空间中的Udp Client类对基础Socket进行了封装,发送和接收数据时不用考虑底层套接字收发时必须处理的一些细节问题。该程序中数据发送流程图如下:
如图所示,我们可以看到,在接收数据块中,首先需要创建一个套接字。然后才能收发数据。发送的数据首先用一个字节数组存放。此时,最关键的就是如何将这些二进制数据解包为十进制显示。这就关系到雷电观测站中二进制状态数据帧格式。根据二进制状态信息帧每个数据的数据类型、字节数,从接收到的字节数组中取出相应的字节数,并转化为相应的数据类型。比如一个字节,就转换为byte,两个字节的word类型可以转换为ushort,四个字节的real类型转换为float。这样就可以转换十进制数据。
1.3 数据存储
台站仪器状态数据是以二进制文编码方式每隔30秒钟就发送一次。这里我们需要用到timer控件的Tick事件。同时,通过设置Interval属性可以设置时间间隔。接收到得状态数据需要存储在本地,并且以时间命名的文件夹。为了灵活方便,状态数据转存频次可以根据业务需求,接收不同频次的TXT数据文件。比如可以每十分钟保存一条数据,或者三十分钟存储一条等等。后面会详细讲到。这里我们以每隔一分钟为例。
首先我们需要用一个Text Box控件来设置接收数据的频次,只需用到它的Text属性就可以了。其次创建文件夹和Text文件要用到Directory Info类和File Stream类。在创建Text文件的同时就可以将之前按照数据类型转换的十进制写入到文件中。这里首先需要判断以当前年月日为命名的文件夹是否存在,不存在则建立新的文件夹。同理,建立Text文本文件也要先判断是否存在。我们在程序启动时为创建一个新的线程,专门用做数据的接收。下面为测试时接收到的数据样本图:
图3为系统在某地运行过程接收到的状态数据。图中2012120611176发送状态信息的年月日和时分秒。116.4706为经度,39.8082为纬度,RS为最近一次自检的通过标志,TS为当前的阈值,TCR为当前的阈值平均通过率,DOP为最近一次自检开始时的GPS误差放大因子。FE为10MHZ恒温槽石英晶振频率值得偏差,CS为帧校验和,SD为数据源。
1.4 日志文件
日志文件可以同步记录系统出现错误时的错误信息,提供程序运行时的精确环境,可供开发人员尽快找到程序中的BUG,也可以为以后的研究之用。
异常的处理我们通常会用到try-catch语句。Try指定希望被通知有关的异常抛出,就需要编写捕获异常的代码,并在代码中处理报告的错误,catch用来指定当捕获到异常时应该执行哪段代码。这里当有异常出现时,我们就创建日志文件或者在日志文件中记录错误出现的地方和时间。系统的正常运行首先需要程序的成功启动,因此这里需要记录程序的启动状态。在界面加载的时候如果出现错误,就会将错误信息记录在本地的TXT文件中。程序中最重要的是数据接收,因此我们还需要在数据接收的时候记录异常信息。
1.5 参数配置文件
为了便于记录、修改本程序所需要的参数信息,并且在程序启动时,自动获取配置参数信息,该程序添加了参数配置文件config.ini。这样在需要的时候,修改config内容后,只需要重新启动程序文件,就可以按照修改后的参数信息运行。
参数配置文件是一个独立的文件。C#操作INI文件的过程,就是C#调用Win32API函数的过程。API是指应用程序编程接口。它是一些预先定义的函数。目的是提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件的以访问一组例程的能力,而又无需访问源码,或理解内部工作机制的细节。Windows API是一套用来控制Windows的各个部件的外观和行为的一套预先定义的Windows函数。用户的每个动作都会引发一个或几个函数的运行以后告诉Windows发生了什么。API函数包含在Windows系统目录下的动态连接库文件中。
进入该系统首先我们进入参数设置界面。这样我们也不需要找到INI文件。当然在INI文件中设置也是一样可以达到效果的。下图为参数界面:
而INI文件中也可以更改其中重要的参数,下图为INI文件图样:
1.6 站点状态界面
图6为该系统在某地运行并监控该地各个雷电监测站的界面。从界面中我们可以清晰的看到各个站点的运行状态。
2 结束语
该系统主要是为了方便监测雷电监测站的运行状态而设计的,以提高雷电监测的水平和能力。并且为建立大的雷电监测网提供基础。但是还有很多需要改进的地方。比如可以通过网站的形式显示各个省市,甚至全国的雷电监测站的状态数据,这需要后期的改进。
摘要：为了实时监控雷电活动范围,精确定位雷电区域,确定雷电强度,我们国家很多地方都建成了统一的雷电定位监测网。该系统主要是为了做好雷电监测站运行监控与技术保障工作而设计的。主要在Microsoft Visual Studio 2010环境下,使用C#[1]语言做了闪电定位仪运行监控系统的研发。该文主要介绍在研发过程中的一些主要技术,包括UDP[2]技术,编码方式等,此系统为监控雷电监测站的正常运行提供方便依据。
关键词：闪电定位,监控,UDP方式
参考文献
[1]Jeff Ferguson Brian Patterson.C#宝典[M].北京:电子工业出版社,2009.