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微型能源采集技术的关键应用问题及解决方案

  微能量收集技术的关键问题及解决方案

  \\ u0026对于手持设备,便携式设备和固定设备来说,是否有比电池更好的解决方案?这个问题的答案总是取决于技术的应用。然而,从环境中提取未使用的能量的能量收集技术正日益成为各种应用中的强有力竞争解决方案。在过去的几年中,能量收集技术已经走出实验室,设计工作站。短期内,尽管能源采集技术在各个应用领域还不能完全替代电池,但它们已经显示出很多优势,如传感器无需电池或维护多年的能力,低能耗,环保,终端用户带来长​​期的低成本效益。几十年来,世界各地的能源结构,与大型风能和太阳能收集电厂,虽然份额很小,但一直处于增长趋势。 2007年,全球光伏市场规模约为12亿美元,逆变器出货量不足50万台。目前,由振动,温度差异,光线和其他环境因素引起的毫瓦级功率的微型集热器也正在商业化。几毫瓦,虽然微不足道,但却是德州仪器等IC公司开发的超低功耗技术产品的理想选择。图1显示了大规模能量收集和微能量收集之间的区别。
图1:技术获取与微尺度能源比较
以多种方式收集能量为工程开辟了新的前景。另外,能量收集还要求工程师从能量的角度来修改他们的想法,尤其是能源管理策略的设计。尽管我们还不能相信能量收集技术会重写电路设计中的最佳能源效率规则,但许多工程师的最佳实践却是违反直觉的。
应用基本因素:市场
广泛地说,收集包括能源的各种能源,如动能(风,波浪,引力,振动等),电磁能(光伏,电磁波等),热能(太阳热,地热,温度变化,燃烧等),原子能(核能,放射性衰变等)或生物能生物燃料,生物质等)。由于能量收集技术广泛而多样化,其中很少有人试图估计整个市场的规模有多大,但还有很多应用尚未被发现。目前,微能量收集技术市场的调查通常倾向于成为技术的电池部分的明确替代。根据市场研究公司Darnell Group的数据,到2012年将有2亿个能量收集器和薄膜电池投入运行。汽车,家庭,工业,医疗,军事和航空市场的能量收集应用将从2008年的1350万个到2013年的1.641亿台。
要求远程节点自动运行几年的无线传感器网络成为主要的目标应用。根据它们的位置,这些传感器节点可以从光,振动或其他来源收集能量。例如,手表,计算器和蓝牙耳机都是光伏电池应用的潜在领域。另外,精工Kinetic手表采用了将运动转化为电能的技术, Freeplay的EyeMax宽带收音机产品使用振动能量为其无线电系统供电。
从人体热量收集能量是最具吸引力的技术之一,精工Thermic品牌的手表就是使用这个程序。新一代的生物识别传感器,即使以体热为能源,也能对从简单的脉搏率到ECG波的关键数据进行计数。转换技术只是整个系统的一部分,典型的能量收集系统包括许多元件,如寄存器中的薄膜电池,大量复杂的能量管理电路,模拟转换器和超低功耗微处理器(MCU),一个非常重要的设计目标是使电源电路与应用电路为最佳综合性能,只要设计人员有信心采集技术能够支持这个产品,就可以开发相关的应用。基本因素的应用:初始阶段以g等能源的研究,有必要估计能源的可用性。图2显示了微能量收集在四种环境中可以提供的每单位能量的近似能量。图2:四个环境中的能量采集估计。接下来可行的估计能量系统(可行系统)可以收集。
由于其大型太阳能电池板,光伏太阳能收集器是一种高效的收集技术。每100平方毫米的光伏电池平均产生约1毫瓦的电能。典型的能量效率约为10%,而容量比(连续照射时对太阳的平均发电量的比例)约为15%至20%。动能收集系统可以在市场上销售产生毫瓦的功率。能量最可能由振动体(振动)产生,但由压电单元或弹性体收集的静电能也落在动能范围内。诸如桥梁和许多工业和汽车结构的建筑产生振动能量。基本的动能采集技术包括:(1)弹簧加载物体; (2)将线性运动转换为旋转运动的装置;和(3)压电单元。 (1)和(2)技术的优点是电压不依赖于电源本身,而是依赖于转换设计。静电转换可产生高达1,000V或更高的电压。热电收集技术利用塞贝克效应,在两种金属或半导体之间存在温差的情况下产生电压。热电发生器(TEG)由热电和热电系列组成。最新的TEG在匹配的负载下产生0.7V的输出电压,并且通常被工程师用于设计超低功耗应用。产生的电能取决于TEG的大小,环境温度和代谢活动水平(当从人体采集热能时)。根据比利时研究机构IMEC的研究,手表型TEG在22°C时平均产生0.2至0.3 mW的有用电能。通常,TEG可以对电池或超级电容器进行可持续充电,但需要先进的功率管理来优化性能。三大微能源收获源有几个共同点。它们通常是不稳定的电压,而不是目前的3.3V仍然广泛使用的稳定电压。另外,三种技术都提供了间歇性的电源,有时根本不提供电源。因此,设计工程师需要使用电源转换器和混合能源系统来解决这些问题。
 

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