什么是能量收集?
“能量收集。這個流行詞聽起來很直白,但它到底是什么意思呢?這種能量從何而來,你如何“收獲”它?它對現實生活中的解決方案有用嗎?我該如何使用它?這些都是很好的問題,所以讓我們深入研究一下。
能量收集因過于復雜而臭名昭著,但它可能非常簡單。Arduino通過簡化其組件來徹底改變業余愛好電子產品,使其達到任何人都可以做到的程度。
能量收集具有相同的潛力。
能量收集由兩個關鍵組成部分組成 - 一個能量源和將能量轉化為有用功率的東西,即電力。
能量收集可以采取汽車發動機振動,身體熱量或附近蜂窩塔的無線電波的形式。壓電模塊、熱電模塊和天線可以將這些能量轉化為電能。
來自太陽或人造來源的光能是環境中最豐富的能源之一。光伏創新的悠久歷史使得太陽能收集特別有用。
我能為什么提供動力?
對能量收集的興趣日益濃厚,這得益于電子設備變得越來越低功耗的趨勢。蓬勃發展的物聯網行業的許多傳感器和無線設備都可以通過太陽能收集完全補充,從而消除了對電池或有線電源的需求。
那么,什么類型的傳感器和無線設備可以用太陽能收集供電呢?
傳感器
問題的答案將取決于三個主要因素:環境的光照條件,設備本身以及設備的操作方式。
例如,如果我們有一個藍牙傳感器,我們可以根據環境的照明條件或多或少地更新。
在昏暗的室內環境中,我們可能只有足夠的能量每隔幾分鐘更新一次。但是,在較亮的設置中,我們可以每秒更新多次。在室外環境中,藍牙傳感器可以不斷更新。
如您所見,設備的運行方式會根據環境的光照條件而發生巨大變化。
通常,無源傳感器(如溫度和濕度)消耗的功率非常小,可以配置為在任何環境中運行。需要采樣的設備,如慣性、力和聲學傳感器,消耗更多的能量,可能需要更明亮的環境來運行。相機、背光顯示器和燈光是功耗更高的設備示例,這些設備與室外環境更兼容。
無線設備
無線設備的功耗取決于它正在運行的協議。好消息是,最常見的協議,如藍牙,LoRa,RFID和蜂窩變體,可能非常低功耗。與傳感器類似,功耗主要受協議配置和操作方式的影響。
通常,最關鍵的參數是數據速率。您的設備多久收集和傳輸一次數據?在許多情況下,這與平均功耗成正比。這意味著將數據速率從 1 秒提高到 2 秒可能會使您的總功耗減半。
同樣重要的是設備的睡眠電流。在傳輸之間,許多協議允許設備進入接近關閉狀態,僅消耗微安或更少的電流。
最后,完成傳輸所需的功率和時間因協議而異。藍牙設備需要不到5ms和30mW的功率來傳輸數據包。然而,蜂窩設備可能需要幾秒鐘,并且需要超過1W的功率才能完成傳輸。
最重要的是,大多數協議都可以配置為在任何環境中運行。
如何開始原型設計?
現在是時候開始討論螺母和螺栓了。太陽能收集聽起來有用且廣泛適用,但有一個大問題。
我從哪里開始?
如果可能的話,您應該從開發工具包開始。在原型設計過程中,擁有正確的工具至關重要。能量收集模塊和能量收集電路的制造商已經盡一切可能使其技術集成到解決方案中變得簡單。
原型設計過程可以分為三個簡單的步驟。
1)識別設備,概念或想法。
2) 查找兼容的開發套件。
3)證明你的概念。
第一步有點不言自明。在閱讀了什么是能量收集以及它可以為它提供什么動力之后,您很可能已經在腦海中漂浮著幾個想法。讓我們繼續執行步驟 2。
查找兼容的開發套件
有許多現成的開發套件可用,它們可以完成繁重的工作并為您連接所有組件。它們具有電路和大腦,可以從環境中提取能量,將其存儲在電池或存儲元件中,并為設備供電。
正確的套件將取決于設備的電源要求和產品開發階段。
如果您已經擁有設備或成品,查看其電源可以深入了解需要哪種套件來滿足其電源要求(電壓和電流)。查找輸出與電池或輸入電壓匹配的套件。
例如,許多套件提供3V或可調功率輸出,可直接替代3V鋰紐扣電池。同樣,許多套件具有內置的鋰離子電池充電器,可以直接在已經使用它們的設備之間連接。
如果您從頭開始或只有一個概念,則可以使用結合了能量收集和無線傳感組件的開發套件,例如PowerFilm的BLE室內太陽能開發套件。
證明您的概念
最后一步是證明你的概念。將所有內容放在一起并將其部署到環境中。理論計算可以提供粗略的估計,但查看系統是否正常工作的最準確方法是在現場進行測試。
對于能量收集應用,您試圖證明的基本概念是,您的系統可以產生足夠的能量來維持自身或延長使用壽命。
跟蹤一段時間內的電池電量是確定設備功耗的一種方法。收集到現場數據后,您可以開始對設計進行明智的調整。
最好先看設備,然后再看太陽能電池板,因為降低設備的功耗通常比收集更多能量容易得多。
要降低功耗,請嘗試降低數據速率并禁用未使用的功能。在最近的一個項目中,一個設備測量的睡眠電流高于預期。梳理軟件后,識別出一行代碼,開啟了日志功能。更改此單行代碼后,器件休眠電流從 200uA 降至 2uA,總功耗下降了近 100 倍。
如果不先修改設備,就需要一整張太陽能表,現在信用卡大小的太陽能電池板是理想的。
一旦您確信已經優化了設備,那么您就可以查看太陽能解決方案。
改變尺寸、照明條件、安裝角度或面板方向可以提高室內太陽能電池板的性能。然后根據需要進行迭代。進行調整、重新部署和收集更多數據,直到您對所看到的性能感到滿意為止。
后續步驟
一旦你有了概念驗證,下一個合乎邏輯的步驟就是開始完善設計,讓它看起來更像一個最終產品。您可以繼續進行產品開發的下一階段,并最終進行產品發布。
太陽能收集并不一定很復雜。如您所見,這可能非常簡單。
審核編輯:郭婷
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