您的位置: 旅游网 > 影视

能量收集应用无处不在

发布时间:2019-10-09 13:50:48

能量收集应用无处不在

FREE ENERGY SOURCE:免费能源

ENERGY HARVESTER/MANAGER:能量收集器 / 管理器

SENSORS, A/D, uCONTROLLER:传感器、A/D、微控制器

WIRELESS TRANSMITTER/RECEIVER:无线发送器 / 接收器

有几种因素影响无线传感器节点能量收集系统的功耗特性。表 1 概述了这些因素。

表 1:影响无线传感器节点功耗的因素

无线传感器节点中的组件

影响功耗的因素

电源 (或电池)

放电速率

电池尺寸

电源电压

所使用的电极材料

DC/DC 效率

传感器

物理信号到电信号的转换

支持组件的复杂性

信号采样

信号调理

ADC

采样速率

混叠

高频抖动

微处理器

内核工作频率

工作电压

功率与处理及计算负载成正比

环境温度

应用节点

外部设备利用率

无线单元

调制方法

数据速率

传送范围

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 W/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 W/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 W/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,最落后的一直是能量收集器。正是在能量收集器这个领域,凌力尔特公司最近推出的产品 LTC3109、LTC 和 LTC3105 使性能和简单性上提升到一个新水平。

一个现实世界的例子:“飞机健康状况监视”

今天,大型机群的结构性疲劳是一个现实问题,因为如果忽视该问题,就可能导致灾难性后果。目前,飞机结构状况是通过多种检查方法来监视的,如通过改进的结构化分析和跟踪方法,通过采用评估结构完整性的创新理念 … 等等。这些方法有时又统称为“飞机健康状况监视”方法。在飞机健康状况监视过程中,采用了传感器、人工智能和先进的分析方法以实时进行连续的健康状况评估。

声发射检测是定位和监视金属结构中产生裂缝的领先方法。这种方法可以方便地用来诊断合成型飞机结构的损坏。一个显然的要求是,以简单的“通过”、“未通过”形式指示结构完整性,或者立即采取维修行动。这种检测方法使用由压电芯片构成的扁平检测传感器和光传感器,压电芯片由聚合物薄膜密封。传感器牢固地安装到结构体表面,通过三角定位能够定位装载了传感器的结构体的声活动。然后用仪器捕捉传感器数据,并以适合于窄带存储和传送的形式用参数表示这些数据。

因此,无线传感器模块常常嵌入到飞机的各种不同部分,例如机翼或机身,以进行结构分析,不过为这些传感器供电可能很复杂。因此,如果以无线方式供电或者甚至自助供电,那么这些传感器模块就可以更方便地使用,效率也更高。在飞机环境中,存在很多“免费”能源,可用来给这类传感器供电。两种显然和可以方便地利用的方法是热能收集和/或压电能收集。

在典型的飞机发动机情况下,其温度可能在几百 oC 到 1,000oC 甚至 2,000oC的范围内变化。尽管这种能量大多数都以机械能 (燃烧和发动机推力) 的形式损失了,但是仍然有一部分是纯粹以热量形式消耗的。既然席贝克效应是将热量转换成电功率的根本热力学现象,那么要考虑的主要方程是:

P = ηQ

其中 P 是电功率,Q 是热量,η 是效率。

较大的热电发生器 (TEG) 使用更多热量 (Q),产生更多功率 (P)。类似地,使用数量为两倍的功率转换器自然产生两倍的功率,因为它们可以获取两倍的热量。较大的热电发生器通过串联更多的 P-N 节形成,不过,尽管这样可以在温度变化时产生更大的电压(mV/dT),但是也增大了热电发生器的串联电阻。这种串联电阻的增大限制了可提供给负载的功率。因此,视应用需求的不同而有所不同,有时使用较小的并联热电发生器而不是使用较大的热电发生器会更好。不管选择那一种热电发生器,都有很多厂商提供商用热电发生器产品。

通过给一个组件施加压力,可以产生压电,而压电反过来又产生一个电位。压电效应是可逆的,展现正压电效应 (当加上压力时,产生一个电位) 的材料也展现反压电效应 (当加上一个电场时,产生压力和/或应力)。

为了优化压电换能器,需要确定压电源的振动频率和位移特性。一旦确定了这些电平,压电元件制造商就能够设计一款压电元件,以机械的方式将其调谐至特定的振动频率,并确定其尺寸以提供所需的功率量。压电材料中的振动将触发正压电效应,从而导致电荷积聚在器件的输出电容上。积累的电荷通常相当少,因此 AC 开路电压很高,在很多情况下处于 200V 量级。既然每次挠曲产生的电荷量相对较少,那么有必要对这个 AC 信号进行全波整流,并在一个输入电容器上逐周期积累电荷。

就能源选择而言,在热源和压电源之间存在权衡问题。不过,不管选择那一种方法,这两种方法都是可行和现实的解决方案,可以非常方便地与现有技术一起使用。下表总结了这两种方法的优缺点:

优点缺点热源

能够连续提供 DC 功率

在一个封闭环境中,温度差可能难以实现 (注 1)

压电源

不需要手动地充电。飞机提供大量振动力。

每个组件都必须手动地调谐到飞机的振动频率上。

注 1:在飞机中获得温度差的最佳途径是,获取飞机机舱内“皮”温度与机舱内部温度之差。

能量收集电源转换 IC

LTC3109 是一种高度集成的 DC-DC 转换器和电源管理器。它能从诸如 TEG (热电发生器)、热电堆甚至小型太阳能电池等极低的输入电压源收集和管理多余的能量。其独特的专有自动极性拓扑允许该器件用低至 30mV 的输入电源工作,而不管电源极性如何。

吉安治疗睾丸炎医院
宿迁白癜风医院有哪些
河南哪家医院治疗男科
吉安治疗龟头炎方法
宿迁白癜风治疗费用
猜你会喜欢的
猜你会喜欢的