能量收集综述:4 种利用环境能源的新设计

2023-07-06 12:22:31 来源:EETOP
随着越来越多的低功耗物联网设备涌入市场,研究人员和开发人员正在创造性地开发电源解决方案--其中一些转向了独特的能量收集技术。

行业和学术研究人员已经为低功耗设备开发了四种新的能量收集解决方案。对于电池或墙壁连接电源不可行(或会大大增加成本和复杂性)的应用,能量收集提供了持续能量转换和存储的替代方案。

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研究人员最近开发了一种从振动中获取能量的装置(更多内容见下文)。图片由东北大学提供*

由于不同环境中存在或不存在环境能源,能量收集通常需要一个特定的应用解决方案。因此,本文深入探讨了四种可用于在各种情况下收集能量的新技术,以使设计者了解该技术的最新状况,并对这些技术如何实现新的应用和架构提供了一瞥。

振动能量收集

首先是东北大学研究人员的一项新进展,他们使用压电材料成功制造了振动能量收集解决方案。压电材料具有将机械应力转换为电能的独特能力,使采集器能够利用环境振动为传感器供电。

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压电振动能量收集器可用于长期储存能量,用于不频繁的传输,使连接的传感器完全不需要电池。图片由东北大学提供

新型压电振动能量采集器 (PVEH) 的耐用性和低重量使其非常适合物联网应用,模拟和测试显示在 100,000 次弯曲后仍能保持性能。初步结果表明,在通过输出电容器收集能量后,PVEH 可以为超过 15 个 LED 供电,展示了其利用环境能量为传感器供电的能力。

无电池动物传感器

同样,另一组研究人员开发了一种针对野生动物追踪的机械能量采集器。然而,名为 Kinefox 的野生动物能量采集器并不使用振动能量,而是使用微型发电机与控制和传感电子设备相结合来监测野生动物,无需电池或太阳能电池板。

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Kinefox 使用微型发电机和支持电子设备,仅利用动物产生的能量定期传输动物的位置。图片由PLoS ONE提供

Kinefox 在五只动物(三只家养狗、一只智齿犬和一匹埃克斯穆尔小马)上进行了测试,以了解其能力。总的来说,产生的能量在很大程度上取决于特定的动物及其活动。然而,即使观察到的能量最少,这些动物在三天内仅使用 Kinefox 为两次 GPS 传输提供动力,其中一只狗在一天内产生了超过 10 焦耳的能量。因此,虽然它可能不是所有传感器的最佳解决方案,但微型发电机似乎为设计人员和科学家提供了一种新工具,可用于不频繁数据传输的长期研究。

BLE 能量收集

物联网领域,e-peas 与 InPlay 合作开发了能量收集 BLE 传感器信标平台,将能量收集和传感/通信结合起来,打造物联网的未来。该解决方案利用两个主要组件:与光伏 (PV) 电池和储能元件兼容的 e-peas 电源管理 IC 以及 InPlay BLE 信标。

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AEM10330 电源管理 IC 仅需要四个外部组件,为能量收集传感器的光伏集成创建了一个小型解决方案。图片由e-peas提供

该解决方案旨在为设计人员提供无电池传感器,以简化密集的物联网部署,同时保持功能性。与许多物联网传感器一样,尺寸是一个关键因素,这得益于AEM10330 电源管理 IC的小占用空间。此外, IN100 NanoBeacon的超低功耗确保 BLE 通信不会对光伏电池产生太大的功率要求。

室内太阳能解决方案

Dracula Technologies 最近报告称,与传统光伏电池相比,其光伏电池在室内光照条件下的性能提高了 25% 。由于室内光线通常比室外弱得多,因此物联网的室内太阳能收集可能相当具有挑战性。然而,借助 Dracula Technologies 的 LAYER 技术,室内太阳能可能会达到新的效率。

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LAYER 模块使工程师能够更好地利用室内照明为电子设备供电,而无需专门的研发成本。图片由Dracula Technologies提供

Dracula Technologies 报告称,其LAYER 技术在 5-1,000 勒克斯的光线下效果最佳,就像紧急出口灯一样昏暗。最新研究结果显示,LAYER模块可在1000勒克斯下提供750μW的功率,为低功耗物联网应用提供新能源。此外,随着未来可能对不可充电电池的使用进行监管,新的室内能源可能有助于保持物联网传感器的小型化。

利用环境能源

虽然可能没有一种适合每种应用的最佳能源,但大量的新能源表明了新的低功耗应用的环境能量收集趋势。随着传感器变得更小、功耗更低,下一代设备可能不再需要专用电源

随着技术与传感器和通信一起发展,了解能量收集如何与通信效率取得平衡将会很有趣。通过无线能量收集,Wi-Fi 波束成形仅将能量发送到所需设备,从而减少环境射频能量。因此,射频能量采集器可能必须采用专用的射频无线充电器。无论如何,这里看到的工具可能会让设计人员受益,他们现在在探索如何为下一代联网传感器提供动力时拥有更多选择。

本文由EETOP编译自allaboutcircuits


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