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不同能量采集技术的能量密度

Francesco Orfei 2019-09-18

设计现代设备的主要问题之一是对极低功率的普遍要求,特别是对于无线传感器网络应用。在处理此类电源要求时,至少有两个主要因素:系统必须在假设的工作时段(工作周期)内保持开启的时间量;组成系统的组件数。XRt电子头条

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此外,工程师必须考虑预算等因素。例如,非可充电电池放电并且必须在其寿命结束时适当地处理,这代表成本。同时,可充电电池或电容器是有效的替代品,因为它们可以充电。本文将讨论能量收集的广泛性,这是一个系统可以从其环境中“收集”能量的概念。XRt电子头条

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什么是能量收集?XRt电子头条

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能量收集是获得环境中已有的电能的一种方式。该概念代表了向电子系统提供能量的有效解决方案,并且需要能量转换器(能量采集器)来运行。也许最著名的能量收集示例是光的使用,光是最广泛的能量来源之一,其中光伏电池是相应的能量收集器。在其他来源中,动能收集是另一种重要技术,其中振动能量采集器是相应的换能器。XRt电子头条

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重要的是要注意,只有一部分可用能量可以转换成电能,因为在转换过程中会产生一定量的热量。XRt电子头条

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能量收集与能量窃取XRt电子头条

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能量收集代表了恢复已经在环境中传播的能量的意愿,这与从例如车辆的运动中减去能量的概念完全不同。如果我们将能量采集器放置在道路的沥青路面以通过过往车辆收集电力,我们将此概念定义为“偷窃”而不是“收集”。这是因为我们从车辆的运动中减去能量。以这种方式,由于收割机“窃取”能量,车辆将消耗更多燃料。我们可以将此视为进行轻微攀爬的车辆。XRt电子头条

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这可以用热力学的第一原理来解释,即,不能产生或破坏能量,但是它可以从一个位置转移到另一个位置并且转换成其他形式的能量。有四种可再生能源:热能,太阳能,电磁能和动力能。振动能量收集将动能转换为电能。它本质上不是最常用的,但它可以是太阳能的有效替代品。在夜间或隧道内没有光线可用,但运行中的机器可以振动,这些振动可以转换成电力。XRt电子头条

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在电子系统中使用能量收集XRt电子头条

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处理能量采集器绝非易事。它们无情地影响了电子系统的成本和性能。当能量采集器是系统中唯一的能量来源时,通常意味着需要非常有效的能量管理系统。与电池的成本相比,能量采集器的数量级更加昂贵。XRt电子头条

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如果我们考虑使用纽扣电池供电的传感器,典型电池(如CR2032)的成本约为1美元,它会产生3 V.为了用像太阳能电池这样的能量收集器替换这种电池,我们必须考虑到能量通量不是恒定的,并且需要能量存储。这种存储可以用超级电容器或可充电电池来代表,但在这两种情况下,我们都需要一个充电器和一个稳压器。这就是能量采集器驱动系统成本更高且更复杂的原因。但另一方面,我们在理论上有无限的工作生活。XRt电子头条

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能量收集的优点XRt电子头条

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为了理解为什么能量收获很重要,想象一下非常大的桥梁,其中放置了许多传感器用于结构监测。它们应该是精力充沛的自主,小巧,轻便且能够进行无线通信。由于与传感器的有线和连接相关的麻烦,这些要求在今天非常普遍。当然,也没有人想换电池,因为维护是一种成本。XRt电子头条

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想象一下,在一个非常大的野外区域,没有可用的电力线。或者想象必须在结构内插入传感器(例如,由混凝土制成的柱子或在沥青下面),以便您无法提取它来更换电池。在这些情况下长时间为电子系统供电的唯一经济方法是使用能量采集器。XRt电子头条

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能量收集的缺点XRt电子头条

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能量收集也存在一些缺点。例如,与无线传感器的总成本相比,能量采集器的成本可能很高。另一个问题是,拥有一个小型转换器并不总是那么容易。如果考虑一下纽扣电池的尺寸,目前要建造一个能够提供有用能量的相同足迹的能量收集器并不容易。为了比较,无线传感器的典型深度睡眠电流可以是大约一微安。AA电池大小的振动能量收集器最多可提供数十或数百微安,加速度约为1 g。(这些值根据收集器的技术、使用的材料、振动的频率分布以及它们的峰均比来变化很大)。XRt电子头条

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通常能量转换效率随发电机的尺寸而增加。这是由于几个因素造成的,其中一个因素与能量采集器经常产生必须纠正的交流电流有关。如果使用二极管来整流电流,必须处理结的阈值电压;这些代表了能量损失。整流器的输入电压越大,转换效率越高。通常,可以说效率可以用以下公式评估:XRt电子头条

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环境中的能源XRt电子头条

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当我们的系统需要能源时,我们必须从多个来源中进行选择,我们需要考虑其他几个参数,例如成本、组件的可用性、对环境的影响、能量密度、可运输性、可能性储能和安全状况。通常,作为起点,更容易将能源分为两类:可再生能源和不可再生能源。XRt电子头条

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可再生能源与不可再生能源XRt电子头条

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可再生能源可以很容易地定义为那些定期或在相对较短的时间内自然补充的能源:生物质、水电、地热、风能、太阳能等。其他能源是不可再生的:石油、天然气、煤炭、铀等。能量收集将所有可用能源(可再生或不可再生)的能源浪费转化为电能。XRt电子头条

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在所有能源转换中,由于每个能量转换器的效率低于1,因此存在一定量的能量浪费。每个人都知道太阳能电池板在暴露在阳光下时会发热以产生电能。这种热量来自光本身,它代表浪费的能量(以及从面板表面反射的)。通过将热电发电机连接到太阳能电池板,这部分热量可以转换成电能。这主要是因为不容易从热电发电机的一侧到另一侧建立大的温差。XRt电子头条

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来自德州仪器(TI)白皮书的下表总结了不同来源和技术的能量密度。 TI表示最有前途的微型采集技术可从振动、温差和光线中提取能量。从射频辐射中清除能量的第四种可能性很有趣,但能量可用性至少比前三种能量可用性低一个数量级。XRt电子头条

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表1.来自德州仪器的能量收集估算XRt电子头条

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这些值应该有助于你了解取决于你的应用程序的理想能量采集器。例如,对于野外偏远地区的应用,最容易获得的能源可能是太阳,因此太阳能电池板可能代表大多数情况的理想解决方案。另一方面,在矿井中,几乎没有光,岩石和空气之间的温度几乎相同,因此不可能使用太阳能和热能收集。但振动呢?如果你的目的是监控矿车,那么在轨道上移动的推车的振动可以转换成电力来为其传感器供电。当然,一次完全可以使用多个能量采集器。XRt电子头条