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能量收集的新应用

在手机上。

随着手机从无线模拟电话演变为手持电脑,用户不断要求更多,更耗电的功能,如网页浏览,视频,游戏和电子邮件,同时还要求延长电池寿命。由于电池制造商没有多大的帮助,半导体制造商设计了许多节能技术,使这一切成为可能。他们一直非常成功。
至少在过去的十年里,低功耗已经成为最重要的电子设计标准。由于摩尔定律和许多聪明的工程师,半导体功率水平大幅下降,往往耗电毫瓦在运行模式和nanowatts在待机模式。直接的结果是,超低功耗无线传感器网络终于成为可能,并且被广泛采用。现在,传感器独立在偏远或难以到达的地区,以警告建筑和桥梁应力,空气污染,森林火灾,未决的山体滑坡,磨损的轴承和机翼振动。低功耗无线传感器网络是许多工业,医疗和商业应用的核心。
然而,离网以及便携式传感器节点依靠电池供电并面临与手机相同的问题。在这种情况下,通过收集环境能量来延长电池的使用寿命是很明智的 - 最常见的是光,热,振动,运动或环境射频。如果设备的能量需求足够低,电池更换将变得困难或昂贵,则可能完全免除电池,仅依靠收集环境能源来获取电力。超低功耗MCU与能量收集的结合带来了以前不可能实现的丰富应用。
能源收获市场规模巨大,发展迅速。IDTechEx的分析师指出,2012年能源收获市场规模为7亿美元,预计到2022年将超过50亿美元。届时将有2.5亿个传感器由能量收集源提供动力。到2023年,单独的热电能量收集市场将达到8.65亿美元。

目前的技术和应用

有几种常用的能量收集技术,一些创新技术刚刚起步。最常见的能源是光,热,振动和射频。在屋顶太阳能电池板短缺的情况下,它们都不会产生大量的能量(参见图1),但其中的一个或多个可能足以为特定环境中的低功耗设备供电。
资源 源动力 收获的力量
   
室内 0.1 mW /cm² 10μW/cm²
户外 100 mW /cm² 10 mW /cm²
振动/运动    
人的 在1赫兹0.5m  
  50Hz时1m /s² 4μW/cm²
在5赫兹1m  
  1 kHz时为10m /s² 100μW/cm²
   
人的 20 mW /cm² 30μW/cm²
100 mW /cm² 1-10 mW /cm²
RF    
GSM BSS 0.3μW/cm² 0.1μW/cm²
 
图1:能量收集源提供的功率

太阳能

几乎没有一个家庭或办公室没有至少有一个太阳能计算器 - 实际上,一个计算器与币形电池和一个小型前面板光伏(PV)电池来填补。这些多晶硅或薄膜电池将光子转换成电子,对于多晶硅而言典型的效率约为15-20%,而对于薄膜电池则为6-12%。由于室内照明的可用功率通常仅为10μW/cm²左右,因此其用处取决于模块的大小以及光线的光谱组成。
小型太阳能电池经常用于消费和工业应用,包括玩具,手表,计算器,街道照明控制,便携式电源和卫星。由于光源往往是间歇性的,太阳能电池被用来给电池和/或超级电容器充电以提供稳定的能源。

热电

热电收割机利用塞贝克效应,当两种不同金属的接合处存在温差时,会产生电压。热电发生器(TEG)由这些热电偶阵列组成,这些热电偶串联在一个共同的热源如发动机,热水器,甚至是太阳能电池板的背面。输出取决于TEG的大小和可以维持的温差。TEG通常用于为工业加热系统等高温环境中的无线传感器节点供电。安装在功率晶体管和散热器之间的TEG可以回收一些本来会作为热量损失的能量。
Micropelt的TE-CORE7热能收集模块将本地可用的废热转换为低功耗设备的长期运行。TE-CORE TEG将热量转换成电荷,然后被升压,存储在一个100μF的电容器中,并被调节到可提供高达5.5V的电压。在50°C下运行,TE-CORE7每年可以提供6.424mAh的电量,相当于三到四节AA电池 - 以这种速度每隔几个月就需要更换电池。
强迫电流流过不同金属的连接处将导致热量从热传递到冷接点 - 珀耳帖效应,基本上与塞贝克效应相反。珀尔帖效应是热电热泵的基础。

压电

压电式传感器在受到应力时会产生电力,这使得它们在用于检测电机轴承噪音和飞机机翼振动的能量采集模块中时,成为振动传感器的理想选择。所述酰胺Volture ™ V-20W振动能量采集采用了附加到压电晶体的悬臂。当振动使悬臂运动时,它产生一个交流输出电压,经过整流,调节,并存储在超级电容器或薄膜电池中。
MidéVolture™压电能量收集器
图2:MidéVolture ™压电能量收集器(由Midé提供)

射频 - 射频

RFID通过纠正直接针对传感器的强烈本地信号(非环境RF)来工作。同样,Powercast的P2110 RF Powerharvester ™接收器可将低频RF信号转换为5.25V,提供高达50mA的输出电流。结合低功耗MCU,传感器和无线电模块,P2110可以提供一个完整的,无电池的无线传感器节点,可以在低至-11.5dBm的RF输入的情况下工作。该设备的应用包括用于工业监控,楼宇自动化智能电网,农业和国防应用的无电池无线传感器。Mouser提供Powercast开发套件,用于电池充电和无线传感器。
Powercast P2110采用无电池无线传感器
图3:无电池无线传感器中的Powercast P2110(由Powercast提供)

创新的技术和技术

一些仍然在实验室中的非常有趣的能量收集技术可能会在未来几年改变能量收集行业的面貌。

医疗和健身设备

压电能量收集的一些新用途正在开始出现。密歇根大学的研究人员已经开发出一种装置,可以通过胸部的心跳回声收集能量,并将其转化为电力来运行心脏起搏器或植入式除颤器,希望避免定期更换电池。研究也正在寻找方法来清除体内热量,运动和振动,为其他植入式装置供电。
射频已经被实验性地用于对起搏器和植入的经皮神经电刺激(TENS)装置中的电池进行充电。患者坐在椅子上,其中包含一个低频射频源,其输出被接收,整流和存储在设备中。
麻省理工学院和哈佛大学的研究人员已经开发出一种可以植入内耳的芯片,通过以声波收集能量提供能量。该芯片旨在监测听力或平衡障碍人群耳中的生物活性。
健身爱好者将乐意学习,他们可以夺回他们在健身房消耗的一些能量。三所英国大学联手开发压电能量收集装置,连接膝盖,在跑步机上跑步或跑步时产生动力。里加技术大学提供了一个机械能量收割机,需要将磁体缝入套筒,并将其卷入套子的口袋中; 在行走时将手臂摆过口袋,产生可存储在电池中的电流。任何保持iPhone充电!

MEMS热释电发生器

橡树岭国家实验室已经开发出一种独特的热释电发电机,可以在发电时冷却电子设备,光电池,电脑,甚至大型废热发电系统。该器件基于双金属悬臂末端的MEMS热电电容器,在热和冷表面之间振荡。热悬臂的尖端与冷表面(散热器)接触,在那里它迅速失去热量,使悬臂向后移动并与热表面接触。只要两个表面之间存在足够的温差(从几度到几百度),振荡就会持续下去。
悬臂结构仅为1mm²,每个器件产生1至10mW的功率; 然而,其中1,000个可以连接到一平方英寸的基板上,从而产生相对较高的输出功率源。由于悬臂的周期时间较短,开发人员预计效率将达到10%到30%,远远好于当前的热电和压电能量采集设备。
MEMS热释电发生器
图4:MEMS热电发生器(由Oak Ridge National Laboratories提供)

Nantennas

光伏电池是最广泛使用的能源收集来源,但效率不高。最好的单晶硅光伏电池 - 理论最大效率为30% - 效率最高可达20%。现在密苏里大学和爱达荷国家实验室的科学家已经开发出了一种灵活的太阳能电池,理论上可以达到90%的效率。
与传统的光伏电池相反,薄膜基本上是纳米天线(或“纳米天线”)的阵列,每个纳米天线调谐到特定频率的光。与在PV的情况下产生单个电子空穴对不同,来自太阳的输入电磁场在天线中感应出电流,然后在馈电点收集电流,进行整流并存储。纳电子电磁收集器(NEC)可以被配置为频率选择表面以有效地吸收整个太阳光谱。或者NEC可以配置为以6.5μm波长为中心的反射带通滤波器; 这将使他们吸收红外线,从而回收来自发动机,炉子和其他高温电源的废热。
NEC器件已经在硅和聚乙烯衬底上成功地进行了原型开发,然而开发经济型的大规模生产工艺将需要更多的资金和时间。研究人员预计,通过捕获目前未使用的红外能量,可以补充传统光伏太阳能电池板的产品。作为电影,它可以被纳入建筑材料和基础设施。NEC可以被集成到聚合物材料中,以便它们也可以被结合到消费电子设备的皮肤中以连续地对电池充电。

期待

超低功耗MCU的发展创造了一个巨大且迅速扩大的能量收集市场,并日益依赖于这个市场。能量收集的第一波浪潮引发了低功耗无线传感器,这种传感器似乎无处不在。但是连锁反应将在消费者,工业和医疗市场上继续存在,创造我们只能想象的新应用。无论是规划便携式电池供电设备还是希望提高大型设备的能源效率,所有设计工程师都应该考虑将能量采集技术纳入其产品中。

(责任编辑:ioter)

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