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能量收集從滿足電源管理需求開始

作者: 時(shí)間:2012-04-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1. 缺乏環(huán)境能量源的時(shí)間長度

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/230710.htm

2. WSN的占空比(即數(shù)據(jù)讀取和傳輸操作必須具備的頻率)

3. 輔助儲(chǔ)存器(電容器、超級(jí)電容器或電池)的大小和類型

4. 是否可提供既能充當(dāng)主能量源、同時(shí)又擁有充分剩余能量(用于當(dāng)其在某些特定時(shí)段內(nèi)不可用時(shí)為輔助電能儲(chǔ)存器充電)的足夠環(huán)境能量?

最先進(jìn)和現(xiàn)成有售的技術(shù)(例如振動(dòng)和室內(nèi)光伏技術(shù))在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限,但是若干年來收集組件的工作可以說明,無論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位的成本而言,這些技術(shù)大體上與長壽命的主電池類似。此外,采用的系統(tǒng)一般能在電能耗盡后再充電,而這一點(diǎn)主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。

正如已經(jīng)討論的那樣,環(huán)境能源包括光、溫差、振動(dòng)波束、已發(fā)送的RF信號(hào),或者其他任何能通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。下面的表2說明了從不同能源可產(chǎn)生多少能量。要成功設(shè)計(jì)一款完全獨(dú)立的無線傳感器系統(tǒng),需要現(xiàn)成的節(jié)電型微控制器和換能器,并要求這些器件消耗最小和來自低能量環(huán)境的電能。幸運(yùn)的是,低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年左右了,不過只是在最近,超低功率收發(fā)器才投入商用。然而,在這一系列環(huán)節(jié)中,處于落后的一直是能量收集器。現(xiàn)有的能量收集器模塊實(shí)現(xiàn)方案(如圖1 所示)往往采用低性能和復(fù)雜的分立型結(jié)構(gòu),通常包括30個(gè)或更多的組件。此類設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率低,靜態(tài)電流高。這兩個(gè)不足之處均導(dǎo)致最終系統(tǒng)的性能受損。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時(shí)間,反過來又延長了從獲取一個(gè)傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。高靜態(tài)電流則對(duì)能量收集源的輸出能達(dá)到的最低值有所限制,因?yàn)樗仨毷紫忍峁┳约汗ぷ魉璧碾娏?,多出來的功率才能提供給輸出。正是在能量收集器這個(gè)領(lǐng)域,凌力爾特公司最近推出的產(chǎn)品LTC3109、LTC3588-1和LTC3105使性能和簡單性上提升到一個(gè)新水平。這些能量收集IC所帶來的新性能水平是采用分立式方案完全無法實(shí)現(xiàn)的。因此,它們由于能夠收集非常低的環(huán)境能量而成為了推動(dòng)能量收集系統(tǒng)制造商成長的“催化劑”。憑借這種性能水平,再加上換能器、微控制器、傳感器和收發(fā)器經(jīng)濟(jì)合算的價(jià)位,使其市場接受度得以提升。這也是此類系統(tǒng)在全球范圍的眾多應(yīng)用中受到大量關(guān)注的原因之一。

表2 :能源以及它們可產(chǎn)生多少能量。

一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的例子:“飛機(jī)健康狀況監(jiān)視”

今天,大型機(jī)群的結(jié)構(gòu)性疲勞是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題,因?yàn)槿绻鲆曉搯栴},就可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。目前,飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀況是通過多種檢查方法來監(jiān)視的,如通過改進(jìn)的結(jié)構(gòu)化分析和跟蹤方法,通過采用評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性的創(chuàng)新理念,等等。這些方法有時(shí)又統(tǒng)稱為“飛機(jī)健康狀況監(jiān)視”方法。在飛機(jī)健康狀況監(jiān)視過程中,采用了傳感器、人工智能和先進(jìn)的分析方法以實(shí)時(shí)進(jìn)行連續(xù)的健康狀況評(píng)估。

聲發(fā)射檢測是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的領(lǐng)先方法。這種方法可以方便地用來診斷合成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損壞。一個(gè)顯然的要求是,以簡單的“通過”、“未通過”形式指示結(jié)構(gòu)完整性,或者立即采取維修行動(dòng)。這種檢測方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平檢測傳感器和光傳感器,壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結(jié)構(gòu)體表面,通過三角定位能夠定位裝載了傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動(dòng)。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù),并以適合于窄帶存儲(chǔ)和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。

因此,無線傳感器模塊常常嵌入到飛機(jī)的各種不同部分,例如機(jī)翼或機(jī)身,以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,不過為這些傳感器供電可能很復(fù)雜。因此,如果以無線方式供電或者甚至自助供電,那么這些傳感器模塊就可以更方便地使用,效率也更高。在飛機(jī)環(huán)境中,存在很多“免費(fèi)”能源,可用來給這類傳感器供電。兩種顯然和可以方便地利用的方法是熱能收集和/ 或壓電能收集。

在典型的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)情況下,其溫度可能在幾百℃到1,000℃甚至2,000℃的范圍內(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機(jī)械能(燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)推力)的形式損失了,但是仍然有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應(yīng)是將熱量轉(zhuǎn)換成電功率的根本熱力學(xué)現(xiàn)象,那么要考慮的主要方程是:

P = ηQ

其中P 是電功率,Q 是熱量,η是效率。

較大的熱電發(fā)生器(TEG)使用更多熱量(Q),產(chǎn)生更多功率(P)。類似地,使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器自然產(chǎn)生兩倍的功率,因?yàn)樗鼈兛梢垣@取兩倍的熱量。較大的熱電發(fā)生器通過串聯(lián)更多的P-N 節(jié)形成,不過,盡管這樣可以在溫度變化時(shí)產(chǎn)生更大的電壓(mV/dT),但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)電阻的增大限制了可提供給負(fù)載的功率。因此,視應(yīng)用需求的不同而有所不同,有時(shí)使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器而不是使用較大的熱電發(fā)生器會(huì)更好。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器,都有很多廠商提供商用熱電發(fā)生器產(chǎn)品。

通過給一個(gè)組件施加壓力,可以產(chǎn)生壓電,而壓電反過來又產(chǎn)生一個(gè)電位。壓電效應(yīng)是可逆的,展現(xiàn)正壓電效應(yīng)(當(dāng)加上壓力時(shí),產(chǎn)生一個(gè)電位)的材料也展現(xiàn)反壓電效應(yīng)(當(dāng)加上一個(gè)電場時(shí),產(chǎn)生壓力和/ 或應(yīng)力)。

為了優(yōu)化壓電換能器,需要確定壓電源的振動(dòng)頻率和位移特性。一旦確定了這些電平,壓電元件制造商就能夠設(shè)計(jì)一款壓電元件,以機(jī)械的方式將其調(diào)諧至特定的振動(dòng)頻率,并確定其尺寸以提供所需的功率量。壓電材料中的振動(dòng)將觸發(fā)正壓電效應(yīng),從而導(dǎo)致電荷積聚在器件的輸出電容上。積累的電荷通常相當(dāng)少,因此AC開路電壓很高,在很多情況下處于200V 量級(jí)。既然每次撓曲產(chǎn)生的電荷量相對(duì)較少,那么有必要對(duì)這個(gè)AC信號(hào)進(jìn)行全波整流,并在一個(gè)輸入電容器上逐周期積累電荷。

就能源選擇而言,在熱源和壓電源之間存在權(quán)衡問題。不過,不管選擇哪一種方法,這兩種方法都是可行和現(xiàn)實(shí)的解決方案,可以非常方便地與現(xiàn)有技術(shù)一起使用。下表總結(jié)了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn):

注1:在飛機(jī)中獲得溫度差的最佳途徑是,獲取飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)“皮”溫度與機(jī)艙內(nèi)部溫度之差。

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