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低能耗应用的能量收集方法和原因

菜鸟
2018-09-06 12:05:14    评分

在本文中,我们将介绍能量收集的基础知识,并讨论从不同来源清除能量时可采取的形式。

什么是能量收集

能量收集是将环境中少量易于获得的能量捕获并转换成可用的电能。电能被调节为直接使用或累积并存储以供以后使用。这为没有电网电力的地方的应用提供了替代电源,并且安装风力涡轮机或太阳能电池板效率低。

除户外太阳能外,没有小型能源可提供大量能源。然而,捕获的能量足以用于大多数无线应用,遥感,身体植入物,RFID以及功率谱的较低部分的其他应用。即使收获的能量很低且无法为设备供电,它仍可用于延长电池的使用寿命。

能量收集也称为能量清除或微能量收集。

 

为何收获能源

大多数低功耗电子设备,如远程传感器和嵌入式设备,都由电池供电。然而,即使是持久耐用的电池寿命也有限,每隔几年就必须更换一次。当远程位置有数百个传感器时,更换成本很高。另一方面,能量收集技术提供了低功率设备的无限使用寿命,并且消除了在昂贵,不实用或危险的情况下更换电池的需要。

大多数能量收集应用程序设计为自我维持,具有成本效益,并且多年来几乎不需要维修。此外,电源最靠近源使用,因此消除了传输损耗和长电缆。如果能量足以直接为设备供电,则由能量供电的应用或设备可以无电池运行。

 

能量收集系统的构件

能量收集过程基于被转换为电能的能量的来源,数量和类型而采用不同的形式。在其最简单的形式中,能量收集系统需要能量源,例如热,光或振动,以及以下三个关键部件。

            

   

图(1)能量收集系统的基本组件。

 

  • 传感器/收割机:  这是能量收集器,它将来自能源的能量收集并转换为电能。典型的换能器包括用于光的光伏,用于热的热电,用于磁性的感应,用于射频的RF,以及用于振动/动能的压电。

  • 储能:如电池或超级电容器。

  • 电源管理:这将电能调节为适合应用的形式。典型的调节器包括调节器和复杂的控制电路,可根据电源需求和可用功率管理电源。

 

共同的能源来源

  • 光能:来自阳光或人造光。

  • 动能:来自振动,机械应力或应变。

  • 热能:来自加热器,摩擦,发动机,熔炉等的废能。

  • 射频能量:来自射频信号。

 

能量收集技术

使用热电发电机,压电传感器和太阳能电池从非传统电源收集电力仍然是一个挑战。这些中的每一个都需要一种形式的功率转换电路,以有效地收集,管理和将来自这些源的能量转换成用于微控制器,传感器,无线设备和其他低功率电路的可用电能。

 

收获动能

压电换能器在受到来自振动,运动和声音的动能时产生电能,例如来自热浪或来自飞机机翼和其他来源的电机轴承噪声的声音。换能器将来自振动的动能转换为交流输出电压,然后对其进行整流,调节并存储在薄膜电池或超级电容器中。

 

图(2)MidéVolture压电能量收集电路。


潜在的动能来源包括人类产生的运动,声学噪声和低频振动。一些实际的例子是:

  • 无电池遥控器:从按下按钮时所用的力量中获取电力。收获的能量足以为低功率电路供电并传输红外或无线电信号。

  • 用于汽车轮胎的压力传感器:压电能量收集传感器放置在汽车轮胎内部,在那里它们监控压力并将信息传输到仪表板以供驾驶员查看。

  • 压电地板砖:人们在地板上行走的动能转换为电能,可用于基本服务,如显示系统,应急照明,电动检票口等。


 收获射频能量

在这种布置中,RF功率接收天线收集RF能量信号并将其馈送到RF换能器,例如Powercast的P2110 RF功率收集器。

 

P2110 Powerharvester接收器评估板

P2110 Powerharvester接收器评估板。


Powerharvester将低频RF信号转换为5.25V的直流电压,能够提供高达50mA的电流。通过组合传感器,P2110,无线电模块和低功耗MCU,可以制作完全无电池的无线传感器节点。

这些类型传感器的典型应用包括楼宇自动化,智能电网,国防,工业监控等。

 

图(3)Powercast P2110用于无电池无线传感器的RF能量收集。

 

收获太阳能

小型太阳能电池用于工业和消费应用,例如卫星,便携式电源,路灯,玩具,计算器等。这些利用小型光伏电池将光转换为电能。对于室内应用,光通常不是很强,典型强度约为10μW/cm²。

因此,来自室内能量收集系统的功率取决于太阳能模块的尺寸以及光的强度或光谱组成。由于光的间歇性,太阳能电池的电力通常用于给电池或超级电容器充电,以确保稳定供应应用。

 收获热能

热电能量收集器依赖于塞贝克效应,其中电压由两个不同导体或半导体的结处的温差产生。能量收集系统由热电发电机(TEG)组成,热电发电机由一系列热电偶组成,热电偶串联连接到共同的热源。典型的来源包括热水器,发动机,太阳能电池板背面,晶体管等功率元件与散热器之间的空间等。能量的大小取决于温差,以及物理尺寸。 TEG。

TEG可用于回收原本会因热量而损失的能量。典型应用包括为工业加热系统和其他高温环境中的无线传感器节点供电。

 从多个来源收获能量

Maxim,Texas Instruments和Ambient Micro等半导体制造商开发了一些集成电路,能够同时捕获来自多个来源的不同类型的能量。结合多个源具有最大化峰值能量以及即使在某些源不可用时也能提供能量的益处。

从多个来源收集能量的电路示例如下所示:

 

图(4)Maxim Integrated MAX17710多源电路。

 

能量收集的好处

环境中有足够的能量可以转换成电能为各种电路供电。

能量收集是有益的,因为它提供了一种在没有传统电源的情况下为电子设备供电的方法,从而无需频繁更换电池和将电线连接到最终应用。同样,它在远程位置,水下以及其他难以接近的位置开辟了新的应用,其中电池和传统电源不太现实。 

能量收集在很大程度上也是免维护的,并且是环保的。

能量收集技术的应用

替代电源提供了延长工业,商业和医疗应用中的远程传感器的电池寿命的手段。这样可以在难以到达或偏远的区域安装独立传感器,以提供各种信息和警告。这些传感器可以监控和警告空气污染,磨损的轴承,桥梁应力,森林火灾等。

其他应用包括:

  • 远程腐蚀监测系统

  • 植入式设备和远程患者监护

  • 结构监测

  • RFID

  • 物联网(IoT)

  • 设备监控

能量收集应用的理想特性

由于来自收获来源的能量是间歇性的和小的,因此必须仔细设计系统以有效地捕获,调节和存储电力。系统应进一步整合电路,以控制充电过程并调节传感器,MCU和其他低功率负载的功率。

收获电路

能源管理系统组件应具备:

  • 捕获,累积和存储小能量包的高能效。效率必须足够高,以确保能量收集电路消耗的能量远小于从源捕获的能量。

  • 高能量保持,最小泄漏或能量存储损失。

  • 能量调节,以确保输出满足应用或所需任务的功率要求。

  • 容许各种电压,电流和其他不规则输入条件。

 应用电路

接收采集能量的电路应该:

  • 消耗活动时可能的最低电量。

  • 消耗最低待机电流。

  • 能够以最小的延迟打开和关闭。

  • 在低压范围内运行。

结论

随着设计人员寻找低功率应用的替代能源,过去几年来从环境中的非常规来源获取能量的兴趣越来越大。

尽管能量收获很小并且在几毫瓦的数量级,但它可以为无线传感器,嵌入式系统和其他低功率应用提供足够的功率。




关键词: 低能耗应用     半导体     ICfans     IC    

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