能量收集应用无处不在
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数据速率 |
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传送范围 |
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工作占空比 |
当然,能量收集电源提供的能量取决于该电源能工作多长时间。因此,比较能量收集电源的主要衡量标准是功率密度,而不是能量密度。能量收集一般会遇到低的、可变的和不可预测的可用功率,因此采用一种连接到收集器和副端功率库的混合架构。收集器由于其无限的能量供应和功率不足而成为系统能源。而副端功率库 (或者是电池或者是电容器) 产生更高的输出功率,但是储存较少的能量,在需要时供电,否则定期从收集器接收电荷。
最先进和现成有售的能量收集技术 (例如振动能量收集和室内光伏技术) 在典型工作条件下产生毫瓦量级的功率。尽管这么低的功率似乎用起来很受限,但是若干年来收集组件的工作可以说明,无论就能量供应还是就所提供的每能量单位的成本而言,这些技术大体上与长寿命的主电池类似。此外,采用能量收集的系统一般能在电能耗尽后再充电,而这一点主电池供电的系统是做不到的。
正如已经讨论的那样,环境能源包括光、温差、振动波束、已发送的 RF 信号,或者其他任何能通过换能器产生电荷的能源。下面的表 2 说明了从不同能源可产生多少能量。
表 2:能源以及它们可产生多少能量
能源 |
所产生的典型能量值 |
典型应用 |
小型太阳能电池板 |
数百 mW/cm2 (太阳光直接照射) |
手持式电子设备 |
小型太阳能电池板 |
数百 µW/cm2 (太阳光间接照射) |
远程无线传感器 |
Seebeck (席贝克) 器件 (将热能转换成电能) |
数十 µW/cm2 (器件本身的热量) |
远程无线传感器 |
仍然是席贝克器件 |
数十 mW/cm2 (炉子废气烟道) |
远程无线传动器 |
压电器件 (通过器件的挤压或挠曲产生能量) |
数百 µW/cm2 |
手持式电子设备或远程无线启动器 |
来自天线的 RF 能量 |
数百 pW/cm2 |
远程无线传感器 |
要成功设计一个完整的自含式无线传感器系统,需要稳定供货的节电微控制器和换能器,并要求这些器件尽可能消耗最低和来自低能量环境的电能。幸运的是,低成本、低功率传感器和微控制器已经上市两三年左右了,不过只是在最近,超低功率收发器才投入商用。然而,在这一系列环节中,
- 能量收集器于所在环境产生电能,无线传感器无需使用电池(08-23)
- 设计切实可行的压电能和热能收集方案需考虑的因素(08-23)
- 可用于能量收集的有效振动 (08-23)
- 针对能量收集型无线远程传感器网络的实用电源管理设计(11-29)
- 小型光伏电池在能量收集应用中找到用武之地(01-06)
- 面向能量收集的创新性解决方案(03-07)