振动能量收集（共7篇）
振动能量收集 篇1
1 引言
电能是传感器节点工作的基础。为了使无线传感器网络更好的发展,我们要持续提供有效的能量。然而,无线传感器网络节点可能分布在复杂恶劣的条件下,不方便更换电池,许多测量部位远离电网,单独铺设电缆会增加成本,或者很难找到合适的电源切入点给节点传感器供电[1]。因此,无线传感器网络节点的节能降耗和电能供电问题是延长无线网络传感器应用寿命和降低成本的关键,成为无线传感器网络的研究的热点问题。即供能与耗能问题。因此,无线传感器网络节点的能源管理是本文的重点研究内容。
En Ocean能量收集技术是一种新型的无线传输技术。En Ocean技术能够从自然界中采集微弱能量,发射或者接受无线信号来驱动设备,而不是用En Ocean标准自组织成的无线传感网络技术。本文分析研究了无线传感器网络节点的能量收集技术方法。本文一方面研究En Ocean能量收集技术原理,对环境中存在的各种能源的收集原理与方法进行了分析,从对振动收集能量探讨相对应的能量收集原理,传感器节点应该用很多方法从环境中吸取能量,提供充足的电能,以确保传感器节点能够长期、可靠、稳定地工作。另一方面从节能的角度分析在无线传感网络中构成低功耗节点的理论,使无线无源绿色电能新技术带来更环保,更节能的新突破。
2 基于振动能的能量收集
2.1 振动能量收集
振动能于自然环境中普遍存在着,在我们生活中也存在着丰富的振动能,广泛存在于楼宇、船舶、车辆、桥梁、机电设备等各种生产和生活设备中,因此基于机械振动的能量收集的研究在国内外受到广泛重视[2]。
振动能转化为电能主要有三种方式:电磁式、静电式和压电式。电磁式转换是利用法拉第电磁感应定律,在振动时导电线圈和磁体部件发生的相对运动产生电信号[3]。静电式转换主要利用存储着一定电荷量的电容对在振动激励下的相对位移,实现电荷的流动。压电式转换主要利用压电效应,压电材料由于外界振动所产生的应力将引起其内部电荷的流动,产生电信号。由于压电式具有转换能量密度大、结构简单、响应速度快等优点[4]。同时,以无线传感器节点为负载的振动能量采集电源管理系统的设计也可以分为下面三个组成部分:前端输入、阻抗匹配电路、存储部分和后端输出。
2.2 压电式振动能量收集
压电式振动能量采集的基本原理是:利用压电元件的正压电效应,在外界振动源激励的作用下,将压电元件的机械变形转换成压电元件表面正负电荷的积累,通过不同的能量采集电路将其转换成供电设备需要的能量形式,并存储在电容或者电池中,以保证持续、稳定的电源供应[5]。
正压电效应是当压电材料受到机械或者物理压力时会发生介质化,在材料表面产生电荷的现象,实质上是将机械能转化为电能的过程。压电式发电的核心元器件是压电振子,能够通过外部激励信号而振动的振动体。
通常对压电式振动能量采集结构可以从压电方程和力学边界条件或者等效电路来分析,通过对压电材料理论分析,得到正压电效应下,压电能量采集结构的电气特性等效电路模型如下图1所示,其中电流等效电路和电压等效电路是等效的。
在低频时,通常将压电式换能器等效为正弦电流源与等效电容、绝缘电阻并联,或者等效为正弦电压源与等效电容、绝缘电阻串联的形式,一般绝缘电阻都比较大,可以认为是开路的。
2.3 双压电薄膜单元的悬臂梁式微力传感器
随着微纳米技术和生物技术的迅速发展,微力传感器作为微尺度环境下的一种重要测试手段已经受到了人们的广泛关注。它主要应用于微装配、微操作系统等领域[6]。微悬臂梁结构因其具有高灵敏度、快速响应以及可以和半导体工艺集成等优点已经成为最重要的MEMS结构之一,它也是目前应用最多的微力传感器结构。基于压电薄膜的硅基微悬臂梁结构是一种较新的微力传感器结构,它灵敏度高、能耗低、易于与压电微执行器集成;同时,它也是一种表征压电薄膜横向压电常数的理想结构。目前基于压电薄膜的悬臂梁式微力传感器的基本结构是集成压电薄膜、上、下电极三明治结构的硅基微悬臂梁,它的工作模式包括传感模式和传感与执行集成工作模式两种,为了进一步提高压电微力传感器的灵敏度,解决自激励式微力传感器的功能耦合的问题,将从压电微力传感器的结构角度创新性地研究基于双压电薄膜单元的悬臂梁式微力传感器[7],其模型如图2所示。
欧拉一伯努力梁压电悬臂梁模型分析[4]。如果将两个压电单元分别作为传感器和执行器,双压电薄膜单元结构解决了自激励式微力传感器中单一压电层同时作为传感和驱动元件所带来的耦合问题。此时,作为一种集传感和执行功能于一体的智能器件,压电微悬臂梁可以同时实现对物体操作和对操作力反馈的双重功能。而欧拉一伯努力梁模型很耗地实现了这种双重功能。
图3即为欧拉一伯努力梁模型示意图,图中梁的每一层为压电或弹性层,由于梁的厚度远小于其长度和宽度,忽略剪切力的影响,此模型主要分析了压电微悬臂梁的执行性能,没有考虑力学外载的作用。每层结构只包括一种材料,对于本文研究的双片压电薄膜微悬臂梁,两个压电片虽属同一层,但它们具有不同的电学参数,目前的压电悬臂梁模型不能对其进行分析,本文将首次建立统一的基于欧拉一伯努力梁模型结构的压电微悬臂梁力一电转换分析模型,可以同时分析双层和双片压电薄膜微悬臂梁。
目前多层结构大多分析压电悬臂梁的执行性能,作为一个统一模型,在结构上,本模型中悬臂梁由多层结构组成,每层可分为若干片,每片为压电或弹性材料[8];功能上,可以分析压电悬臂梁的传感和执行能力。模型中压电悬臂梁受到的外载包括压电片所受的电学载荷V和悬臂梁尖端所受的与梁垂直的集中力F,分析压电片电极上产生的电荷Q及悬臂梁产生的尖端位移与外载V和F的关系,本文将利用欧拉一伯努力梁模型的推导结论。
图4为欧拉一伯努力梁模型压电悬臂梁结构示意图,悬臂梁包括m层,每层包含材料不同的若干片,它可以是压电材料或非压电弹性材料,如图所示将压电悬臂梁延x方向分为n片。压电悬臂梁的外部(激励)参数包括在压电片上施加的电场E和悬臂梁尖端所受垂直于x轴的集中载荷。通过建立欧拉一伯努力梁模型结构的力电转换模型,分析作为执行元件压电悬臂梁尖端的位移占及作为传感元件压电片电极上产生的电荷Q[9]。首先要注意建立该模型的几个基本假设条件:
1)多层一多片压电悬臂梁结构处于静态平衡状态。
2)多层一多片压电悬臂梁结构每层具有相同的长度L和宽度W。
3)由于悬臂梁的宽度和厚度比它的长度小很多,忽略梁的剪切变形影响。由于悬臂梁的宽度和厚度比它的长度小很多,y和z方向的位移忽略不计。
4)基于假设(3),可知压电层的表面电荷Q来源于以下三个方面的贡献:a)基于横向压电效应,压电梁y方向变形所产生的电荷;b)基于横向压电效应,压电梁x方向变形所产生的电荷;c)基于纵向压电效应,压电梁Z方向变形所产生的电荷。其中y和Z方向的变形忽略,因此Q仅来源于b),即梁x方向变形产生的电荷。
5)i与i+1层的界面几何连续,j与j+1片的界面几何连续。
双层和双片PZT压电薄膜微悬臂梁比较。对于具有传感和执行双重功能的压电悬臂梁,双层和双片PZT压电薄膜微悬臂梁共具有四种工作模式[5],本文对这几种工作模式的传感和执行能力进行了分析比较,表1为四种工作模式下尖端位移ω(L)和传感元件产生的压电电荷Q随L1/L的变化公式。
在此分析中,压电悬臂梁具有相同的几何尺寸,假设两种微悬臂梁的横向压电常数d相同,都是200。悬臂梁尖端受力都为127μN。压电悬臂梁的长度为1000μm,宽度W为10μm。可得出仿真曲线如图5所示,其中(1)代表下层压电薄膜作为传感器(2)代表上层压电薄膜作为传感器(3)代表右片压电薄膜作为传感器(4)代表左片压电薄膜作为传感器。其中对于双层压电薄膜微悬臂梁结构,Ll/L为常数1,ω(L)和Q没有变化,因此为直线。图2-5表明双层压电微悬臂梁比双片压电微悬臂梁具有更好的传感和执行能力(此分析结果的前提条件是所有PZT薄膜具有相同的横向压电系数诱,);双层压电薄膜微悬臂梁的两种工作模式的传感及执行能力相差不大,而对于双片压电薄膜微悬臂梁,传感和执行元件的放置对两种工作模式的传感和执行能力影响很大。对于具有传感和执行双重功能的压电悬臂梁,对两种工作模式进行比较,即图5左图中曲线(1)与(2)比较,曲线(3)与(4)比较,ω(L)较大时,Q较小;ω(L)较小时,Q较大,说明如果压电悬臂梁具有较大的执行能力,它的传感能力较小,反之,如果具有较大的传感能力,它的执行能力较小。
2.4 振动能量收集转换电能
压电元件在外界振动源激励的作用下,通过正压电效应将机械能转化为电能,其输出电压通常比较大,可以达到几伏甚至几十伏,而输出电流只有m A级,因此输出功率也极低,只有m W级。因此,不能直接用压电元件为无线传感器节点等微功耗电子设备供能,这就需要设计能量采集电路将压电元件输出的电压转化为合适的电压为微功耗电子设备持续、稳定地供电[10]。下面选择两种振动能量采集电路。
1)标准振动能采集电路
标准能量采集电路是由AC-DC整流电路和滤波电容组成[11],如下图6所示。由于振动换能器输出的是交流电压,而AC-DC整流电路可以将其转换成直流电压,并通过合适的滤波电容使输出的直流电压平整稳定。
2)同步电荷提取电路
与同步开关电感电路不同,同步电荷提取电路是在标准能量采集电路的整流电路后并联了电感和开关,如图7所示。
同步电荷提取电路的工作原理是:当检测到压电振子两端电压达到最大值时,即位移达到最大值或者最小值时,开关S闭合。压电振子上积累的电荷在极短时间内通过整流电路转移到电感L上。当电荷全部转移后,开关S关断,电感L上的能量通过二极管D存储在储能元件上。
同步电荷提取技术的效率是并联同步开关电感电路的两倍,效率更高,而且其输出功率可以不受负载阻抗的影响。
3 传感器节点的振动能量消耗
传感器节点获取的能量必须大于或等于节点自身消耗能量,传感器节点才能持久的运行[12]。我们首先考虑传感器节点的能量消耗。
3.1 中央处理器及存储系统的能量消耗ECPU
假设MCU工作在两种模式:工作模式和体眠模式。假设工作模式的功耗为Ecpu-act,单位时间内工作时间比例为ηcpu-act,休眠模式功耗为Ecpu-slp,单位时间内休眠时间比例为ηcpu-slp。设数据存储消耗的功耗为ERAM,程序存储消耗的功耗为EROM。则中央处理器及存储系统的能量消耗ECPU,满足:
3.2 通信系统的能量消耗ECOM
通信模块有三种状态:发射状态、接收状态、休眠状态[13]。假设通信模块发射状态的功耗为ECOM-tra,一个工作周期内工作时间比例为ηCOM-tra;通信模块接收状态的功耗为乓ECOM-rec,一个工作周期内工作时间比例为ηCOM-rec;通信模块接收状态的功耗为ECOM-slp,一个工作周期内工作时间比例为ηCOM-slp。则通信系统能量消耗ECOM,满足:
3.3 传感系统的能量消耗ESEN
传感系统的能量消耗主要包括传感器自身消耗、信号调理消耗、信号采样及处理消耗[14]。假设传感器自身能量消耗为ESEN-sel,信号调理消耗为ESEN-con,信号采样及处理消耗为ESEN-ad。则传感系统能量消耗ESEN满足:
3.4 振动能能源收集与存储系统
振动能能源收集与存储系统,既是一个能源获取的系统,同时也有一定的能源消耗[15]。获取的能源为ESOLAR,消耗的能源为ESOL,其中消耗的能源包含电压转换带来的能源消耗ESOL-CON,能源存储系统的消耗ESOL-STO。其能源消耗应满足:
因此,传感器节点所需要的能量为ESUM满足:
其中通信模块的功耗与数据的传输距离相关[16]。由于系统在工作状态下的功耗相对较高,因此采用合理的唤醒机制,使系统在大多数时间处于休眠状态,减少系统的整体功耗。
4 结束语
在振动能的收获与转化中,创新性地提出欧拉一伯努力梁压电悬臂梁模型,解决自激励式微力传感器的功能耦合的问题。本文在振动能的收获与转化中,提出了欧拉一伯努力梁压电悬臂梁模型,解决自激励式微力传感器的功能耦合的问题并在收集能量后转化为电能存储。能量转化为电能后,针对传感器节点产生收获振动能时产生的能耗进行分析。
本文研究了En Ocean振动能量收集技术原理,以确保传感器节点能够长期、稳定、可靠地工作。从节能的角度讨论在无线传感网络中产生的能耗,能量收集技术的最佳应用是它与无线组件或传感器的结合。En Ocean的能量收集设备可以将机械振动能转换为电能,并进一步驱动无线传感器。目前,这种机械能转换无线传感器需求将日趋活跃,并将配置在各种难以布设硬线的场合,以及更换电池不方便的应用中[17]。未来10年将是该技术实现爆发式增长的关键时期,它的应用范围还将不断扩大。据英国IDTech Ex公司预测,能量收集技术的应用范围将遍及消费性电子、军事、航天、保健、石油与天然气、建筑、大众运输等市场。
振动能量收集 篇2
永远不要跟别人比幸运,我从来没想过我比别人幸运,我也许比他们更有毅力,在最困难的时候,他们熬不住了,我可以多熬一秒钟、两秒钟。
今天到北大演讲心里特别激动。我一直把北大的学子当做我的偶像,一直考却考不进,所以我想如果有一天我一定要到北大当老师。
看见10只兔子,你到底抓哪一只?有些人一会儿抓这个兔子,一会儿抓那个兔子,最后可能一只也抓不住。CEO的主要任务不是寻找机会而是对机会说NO。机会太多,只能抓一个。我只能抓一只兔子,抓多了,什么都会丢掉。
我们公司是每半年一次评估,评下来,虽然你的工作很努力,也很出色,但你就是最后一个,非常对不起,你就得离开。
我们与竞争对手最大的区别就是我们知道他们要做什么,而他们不知道我们想做什么。我们想做什么,没有必要让所有人知道。
网络上面就一句话,光脚的永远不怕穿鞋的。
中国电子商务的人必须要站起来走路,而不是老是手拉手,老是手拉着手要完蛋。我是说阿里巴巴发现了金矿,那我们绝对不自己去挖,我们希望别人去挖,他挖了金矿给我一块就可以了。
我深信不疑我们的模式会赚钱的,亚马逊是世界上最长的河,8848是世界上最高的山,阿里巴巴是世界上最富有的宝藏。一个好的企业靠输血是活不久的,关键是自己造血。
我为什么能活下来?第一是由于我没有钱,第二是我对INTERNET一点不懂,第三是我想得像傻瓜一样。
在我看来有三种人,生意人:创造钱;商人:有所为,有所不为。企业家:为社会承担责任。企业家应该为社会创造环境。企业家必须要有创新的精神。
发令枪一响,你是没时间看你的对手是怎么跑的。只有明天是我们的竞争对手。
如果早起的那只鸟没有吃到虫子,那就会被别的鸟吃掉。
听说过捕龙虾富的,没听说过捕鲸富的。
当你成功的时候,你说的所有话都是真理。
我永远相信只要永不放弃,我们还是有机会的。最后,我们还是坚信一点,这世界上只要有梦想,只要不断努力,只要不断学习,不管你长得如何,不管是这样,还是那样,男人的长相往往和他的的才华成反比。今天很残酷,明天更残酷,后天很美好,但绝对大部分是死在明天晚上,所以每个人不要放弃今天。
孙正义跟我有同一个观点,一个方案是一流的Idea加三流的实施;另外一个方案,一流的实施加三流的Idea,哪个好?我们俩同时选择一流的实施,三流的Idea。
一个公司在两种情况下最容易犯错误,第一是有太多的钱的时候,第二是面对太多的机会,一个CEO看到的不应该是机会,因为机会无处不在,一个CEO更应该看到灾难,并把灾难扼杀在摇篮里。
“其实,有的时候人的最大问题就在于他说的都是对的”。
那些私下忠告我们,指出我们错误的人,才是真正的朋友。
我既要扔鞭炮,又要扔炸弹。扔鞭炮是为了吸引别人的注意,迷惑敌人;扔炸弹才是我真正的目的。不过,我可不会告诉你我什么时候扔鞭炮,什么时候扔炸弹。游戏就是要虚虚实实,这样才开心。如果你在游戏中感到很痛苦,那说明你的玩法选错了。
我生平最高兴的,就是我答应帮助人家去做的事,自己不仅是完成了,而且比他们要求的做得更好,当完成这些信诺时,那种兴奋的感觉是难以形容的……
注重自己的名声,努力工作、与人为善、遵守诺言,这样对你们的事业非常有帮助。商业合作必须有三大前提:一是双方必须有可以合作的利益,二是必须有可以合作的意愿,三是双方必须有共享共荣的打算。此三者缺一不可。
一个一流的创意,三流的执行,我宁可喜欢一个一流的执行,三流的创意。
蒙牛不是策划出来的,而是踏踏实实的产品、服务和体系做出来的。
最优秀的模式往往是最简单的东西。
要少开店、开好店,店不在于多,而在于精。
创业者书读得不多没关系,就怕不在社会上读书。
在今天的商场上已经没有秘密了,秘密不是你的核心竞争力。
很多人失败的原因不是钱太少,而是钱太多。
概念到今天这个时代已经不能卖钱了。
创业者光有激情和创新是不够的,它需要很好的体系、制度、团队以及良好的盈利模式。
这个世界不是因为你能做什么,而是你该做什么。
你的项目感觉是一个生意,不是一个独特的企业。
压电能量收集系统及其应用研究 篇3
随着无线通讯与微机电系统 (MEMS) 的不断发展, 使得分布式微电子设备、微传感器等等微型机电系统的应用范围不断扩大, 这些应用包括为健康监测的分布式传感器节点、大型系统的电池监测、汽车轮胎压力监测系统等。在很多情况下, 这些系统不能使用电缆或电线供电, 电池 (镍氢电池、锂聚合物电池) 供电也受到很多限制, 甚至是不可使用。其中原因有: (1) 电池的使用增加了系统的体积, 限制了系统的进一步微型化; (2) 二是供能寿命有限, 使用一段时间后需要更换电池或者充电; (3) 一些场合如易燃易爆等危险情况下的更换问题难以解决; (4) 电池本身还包含对身体或环境有害的铅、镉、汞等多种物质。因此, 人们开始研究各种能量收集技术, 作为电池的替代品, 某些特殊的应用领域替代电池或自动为电池充电。用于微功率电子产品供电的各种能量收集技术的研究已成为国际上的一个研究热点。
1 压电陶瓷发电
压电效应分为正压电效应和逆压电效应。所谓正压电效应是指晶体由于机械应力的作用而使其介质化, 并使其表面荷电的效应。反之, 当外加电场于晶体时, 晶体会产生形变, 这边称之为逆压电效应。压电发电是利用压电材料的正压电效应将机械振动能量转变为电能, 为网络传感器等微机电系统供。
压电发电有很多优点:结构简单、无电磁干扰、不发热、易于加工制作易于实现结构上的微型化、集成化等。这些特点决定了压电发电特别适用于为监测系统、传感器和微电子设备供能。
压电陶瓷具有压电性, 即某些各向异性的晶体, 在机械力作用下, 产生形变, 使带电粒子发生相对位移, 从而在晶体表面出现正负束缚电荷将其所产生的电荷用电容器或微电池等储存起来, 然后通过设计的控制电路, 可输出稳定的电流或电。本系统采用压电陶瓷作为能量源, 提出了一种压电能量收集装置。
2 LTC-3588能量收集电路
目前关于压电能量收集电路设计中, 采用的方案大多都是电荷捕捉电路, 交流信号经过整流、滤波、调压和稳压后进行储存, 但这样的设计较为复杂, 而且在线路中的能量损耗较高, 可摄取的有效能量很。
本设计采用凌力尔特的微弱能量收集芯片LTC-3588。LTC-3588集成一个低损耗、全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器, 通过压电传感器收集环境中的振动能量, 然后将这种能量转换成良好的调节输出。LTC-3588输入电压为2.7~20V, 通过数字位D0、D1可设定输出电压1.8V、2.5V、3.3V、3.6V, 对应的静态输出电流仅有44n A、62n A、81n A、89n A。
通过对陶瓷压电片的不断按压, 压电片产生的能量通过LTC-3588的PZ1、PZ2引脚输入, 经过四个超低压降的二极管整流桥整流, 再通过电容器将电荷存贮在电容器上, 一旦电容器上充电电压达到低电压欠流检测 (UVLO) 上限时, LTC-3588的降压控制器 (Buck Control) 打开MOS管, 将电容器上的电荷转移到输出电容上, 当低于上限值时, 然后关闭;如此往复, 陶瓷压电片产生的的微弱的能量收集到电容器上存储起来。LTC-3588内部电路如图1所示。
在使用LTC-3588作为压电能量收集使用时, 输入存储电容和输出存储电容的选取十分重要, 当VIN端的存储电容选取过小, 此时经过整流桥之后的VIN电压将迅速升高至高于UVLO, BUCK打开MOS管将能量传送到输出端, 由于存储的能量很小, 不足以提供负载工作。当VIN端的存储电容选取较大, 电压上升时间过长, VIN端的电压将经过很长一段时间才能达到设定值。关于输出端存储电容器选择, 也不能过大或者过小, 过大则上升时间过长过小则负载无法工作。LTC-3588能量收集电路如图2所示。
3 压电能量收集应用实例
本文在基于LTC-3588压电能量收集电路的基础上, 采用低功耗蓝牙芯片CC2541作为无线通信模块, 实现点对点通信。系统结构框图如图3所示。
3.1 陶瓷压电片
本系统采用的压电片为陶瓷压电片。基片材质为黄铜#CW617N, 压电陶瓷材质为P8-1, 输出电压为0~48V, 输出电流1~100μA, 谐振阻抗小于100o Hm, 尺寸为40mm×30mm压电陶瓷片的形变越大, 输出的能量越多, 整流后的电压越高, 可采集的能量越多, 电容器可存储的能量也越多, 给无线节点供电的性能也越好。陶瓷压电片按压发电如图4示。
3.2 LTC-3588能量收集
LTC-3588能量收集电路输入端滤波储能电容选用100u F/6V, 输出端存储电容选用330u F/6V, 设定输出电压为3.3V;通过对压电片的不间断的按压, 储能电容两端存储的电荷越来越多, 当电压高于UVLO时, 给输出电容充电, 输出端一点点增加到设定值3.3V, 电容收集电路在60μ90s内能将电容充满电。充电过程如图5所示, CH1通道为输入端存储电容端电压, CH2为输出端存储电容端电压。
3.3 CC2541蓝牙模块
CC2541是TI公司推出的一款基于C51内核的超低功耗的蓝牙芯片, 使用3.3V供电, 在工作模式下最低只需要8m A的电流, 休眠模式下仅需要0.5μA。由于蓝牙模块广播时最低需要8m A的电流, 实验过程蓝牙模块最大广播时间设置为10s, 一旦连接上, 每五分钟发送一次数据, 发送数据是消耗电流为8m A, 其余时间为待机状态, 待机消耗电流为1~10μA。
4 结束语
本文研究了压电能量收集方案及其应用实例, 主要针对压电陶瓷片的震动或按压方式进行压力发电, 将产生的微弱能量通过能量收集电路收集存储起来, 作为电源给无线节点或其他低功耗设备供电。能量收集采用LTC-3588微弱能量收集芯片进行收集存储, 能够有效的降低整流电路的损耗并提高效率, 可设定输出电压;无线模块采用低功耗CC2541蓝牙芯片, 实现了设备之间的无线通信功能。本文最大的优点就是为无线节点等设备实现了能量的的自给自足, 不在需要外部电源或者电池供电, 解决了目前无线终端或其他设备经常需要更换电池或者定期充电的困扰。
参考文献
[1]吕常智, 公茂果, 潘家兴.无线网络节点的微能源电源设计[J], 设计与研发, 2016 (11) :29-32.
[2]温永清, 刘小鱼, 鲁飞等.压电发电技术及其应用研究[J], 稀土, 2013, 34 (5) :82-85.
[3]王剑, 郭吉丰, 郭帅.压电发电技术研究综述[J].压电与声光, 2011, 33 (3) :394-398.
[4]贾杰.压电发电装置的能量转换及存储特性研究[D].吉林大学硕士学位论文, 2007.
[5]林玲, 刘辉.压电发电技术研究应用[J].应用科学, 2008, (07) :120.
[6]LTC-3588.Piezoeleetrie Energy Harvesting Power Supply[R].Linear Teenology, 2010.
微海流能量收集及自动释放装置 篇4
1 装置组成及工作原理
微海流能量收集及自动释放装置主要由叶轮、减速机构、机械蓄能机构和自动释放机构4个部分组成 (见图1) 。此装置的具体工作原理是:在低速海洋流的作用下, 叶轮获得微小扭矩以低速旋转, 并作用于减速机构输入轴, 经减速机构减速后, 扭矩增大, 减速机构将增大的扭矩输入至机械蓄能机构, 这样机械蓄能机构可获得相对较大扭矩;机械蓄能机构在减速机构的作用下不断蓄积能量, 当达到设计值时, 自动释放机构工作, 将机械蓄能机构蓄积的能量在短时间内释放至后续发电装置中[2]。
2 微海流能量的收集及自动化释放装置
2.1 叶轮
叶轮的作用是将低速海洋流动能转化为机械旋转动能。设计指导思路是在无显著降低捕获效率的情况下, 提高低流速条件下的启动性能, 保证系统在0.1 m/s流速下自启动。
2.2 减速机构
此装置中的减速机构作用是减速增扭, 从而使机械蓄能机构获得较大的扭矩, 在一个周期中蓄积的能量较多。根据指标要求, 微海流能量收集及自动释放装置的输入扭矩约为0.5 N·m, 最大输出转矩约为4.5 N·m, 考虑到机构的工作效率以及安装空间, 选择减速机构为圆柱齿轮两级传动减速结构, 减速比为16∶1。
2.3 机械蓄能机构
此装置的机械蓄能机构为发条机构, 它是将减速机构传递的动能, 通过发条旋转收紧转换为发条的弹性势能蓄积起来。机械蓄能机构主要有棘轮机构、发条盒、发条和芯轴等部分组成, 其中棘轮机构用于防止减速机构反转或突然失去作用力致使机械蓄能机构释放能量。蓄积能量时, 芯轴不转, 发条盒带动发条旋转收紧[3]。
2.4 自动释放机构
自动释放机构由主动轮、从动轮、凸轮、压板、弹簧销和恢复弹簧等部分组成, 其组成结构见图2。凸轮和压板组成凸轮压板机构, 凸轮旋转一圈, 压板将弹簧销抬起一次。主动轮和从动轮组成不完全齿轮组, 为用于实现小空间大减速比的一种机构 (减速比为9∶1) , 其中主动齿轮与发条固连, 从动齿轮与凸轮压板机构固连, 这样可实现发条收紧旋转9圈, 而凸轮旋转1圈。凸轮压板机构带动弹簧销抬起一次, 即对芯轴解除约束一次, 发条可释放能量一次[4]。
1—恢复弹簧;2—压板;3—凸轮;4—弹簧销;5—从动轮;6—主动轮
3 台架试验
为了测试该装置的工作可靠性以及工作效率, 进行了台架试验。该装置的台架试验设备主要由步进电机、扭矩转速传感器、减速机构、机械蓄能机构和自动释放装置5个部分组成 (见图3) 。试验中, 步进电机作为模拟叶轮动能输入, 通过控制电机输入电流大小调节电机转速;扭矩转速传感器的作用是检测装置的输入扭矩和转速情况[5]。试验表明, 该装置 (叶轮除外) 可启动低速小扭矩工作, 并可靠间歇、持续机械蓄能, 自动释放能量传递给发电装置。
4 水池拖曳试验
水池拖曳试验主要验证该装置能否在低流速下启动并可靠工作。将该装置与平台固联, 平台在拖曳水池中以0.1 m/s速度前进, 测试到叶轮可自启动, 该装置工作可靠 (见图4) 。
5 结束语
微海流能量收集及自动释放装置可应用于微海流能、微风能等的收集利用, 拓展了海洋能、风能等绿色可再生资源的利用范围。通过试验验证, 此装置工作可靠, 效率高, 可实现功能要求。
参考文献
[1]田应元, 张云海.海流发电发展方向及技术路线思考[J].能源工程, 2010 (1) :9-14.
[2]徐灏, 邱宣怀.机械设计手册[S].北京:机械工业出版社, 1991.
[3]沈波.平面涡卷弹簧的应用[J].机械, 2001, 28 (5) :19-20.
[4]刘国荣.涡卷弹簧储能操作机构的设计及应用[J].机电工程技术, 2004, 33 (10) :64-66.
振动能量收集 篇5
关键词：能量收集,整流,充电电池,均衡充电
0前言
无论是环境中的无线电波, 或是我们周围那些多余的能量照明或温差等, 数量都非常庞大, 人越多, 频率范围越大, 功率水平也越高, 能量也就越大, 采集射频能量为一些功耗较低的电子器件长期免维护工作提供了较大便利, 收集的能量完全可以让低功耗电子器件正常工作, 且所收集能源具有成本低, 无距离限制等特点。因此, 我们可将获得的能源收集以后储存于电池之中作为能量的供给, 这样, 即使在无能量采集时, 系统仍可工作。射频能量采集就被广泛地使用于各种可方便应用的自我供电的微系统之中。
1 能量收集
能量收集主要有以下三部分构成, 热直流交换器, 射频整流器及微电荷状态透视器。
热直流交换器:输入由一个电源开关与一个外部LC滤波器来控制, 并将那些可利用的能量通过一个微功率的变流器将用来整流, 而热交换器来管理能量供应。通过控制系统的开关工作周期变化输出基于给定参考电压 (本文参考电压选用1V) 的输出功率。用具有很低的功耗和光谱的开关噪声的基于异步被动调制器, 代替传统的PWM控制器来简单实现脉冲密度调制。被调到脉冲密度信息转化为一个更高的电压水平来控制开关的通断。误差放大器由一个50分贝增益放大器和缓冲器组成。增加信号电压由一个低电压, 高性能的电荷泵由一个时钟助推器来组成, MOS等效电阻功率会将得出的高电压水平降低, 为减少耗散功率, 我们选择一个较小的宽度MOS管来减少死区。
射频整流器由一个限流器, 一个整流器, 一个控制回路组成。它们提供一个稳定直流输出。在标准的13.56MHZ RFID应用, 射频功率和转换效率取决于射频源之间的距离和集成电路。输入功率远大于所需的功率, 多余的电流通过引流压载MOS.
微电荷状态透视器, 为了确保永久监测, 微电池荷电状态性能指标的监控提供了以上IC沉积, 这些芯片的电池可用的容量是在1002范围。为实现更长的电池操作和保护能源的应用程序, 用一种超低功耗监测来实现所有级别的监视开发。荷电状态等性能指标的检测也必须抵抗电源电压变化成为兼容微电池。当电压低于1.60.1V, 微电池放电。电荷监视器把它的电压与参考电压相比, 当微电池放电时设置一个阈值, 为了降低功耗, 比较仪每半个小时做周期性的工作, 取样足够的多。由于微电池持续一年, 当输出数字过低, 即低于阈值, 比较器是禁用的, 电路产生的比较器激活信号和最后的电路就持有比较器输出值。
2 电池充电
电池充电分电源管理器和电池充电器。微型充电器可以被充电, 因此电源管理器包括特定的单位连同异步有限状态机, 当它们同时存在, 管理这两个资源之间的优先级, 并激活自动推进的微电池保护对外部电源中断。电源管理器生成一个来自两个外部sources的内部电源vdd。这个vdd供应为微电池充电控制器提供一个恒流, 对微电池充电, 电源管理器也能创造一个内部电压, 瞬间最大电压vmax与vdd之间的电池电压。因此该电源是永久性的, 同时使用vmax尽可能少从电池使用力量, 它是用来激活微电池防止过早的放电以防外部能源中断。
充电模式, 采用恒流/恒压式充电模式, 先采用恒流充电, 用相对较大的电流进行充电, 充电电流设为某一自设的特定值。当达到该设定值之后, 采用恒压充电, 当达到恒压充电电流的设定值时, 停止充电。这样充电效率高, 对电池的损伤也较小。
对于能量收集功率较大时, 可采用电池组储电, 因此要对电池组充电。电池组充电, 可采用一种简单、高效、高可靠性的均衡充电方案。将电池组分成一个分流模块, 它可将能量从电压高的电池转移到电压低的电池, 从而实现均衡充电, 为给电池组末端的电池提供能量转移回路采用反激变换器。
在充电开始瞬间立即开启电压均衡模块, 使高效率均衡充电方案有的电池电压先均衡到同一水平, 然后让所有单体电压以同样的速度上升直至充满。一般情况下, 用差动放大电路作为判断电路, 以地为参考点, 让每一节电池的电压都成比例放大, 然后通过比较器形成触发控制信号, 并于触发信号相与, 再经过功率放大形成控制信号。如果电池组中电压不均衡, 另一条支路将被连接的触发器打开, 能量由高的一端转移至低的一段。主要看与它相对应电池的电压与其下面电池电压的关系控制开关触发, 当对应电池电压比下面电池电压高, 则触发器触发, 反之不触发。对于电池组末端电池电压则与最初的那个电池的电压作比较, 高则让其对应的开关触发, 这样能量就会通过反激式变压器回到充电总线上。通过分析可知, 能量不止是在相邻电池间传递, 因能量的传递趋势总是由电压最高的电池传递到电压最低的电池上, 而这一过程是通过其他电池间接传递的。
若某个电池首先被充满时, 则阻止其过充并将多余的能量转化成热能, 采用均衡装置, 对于未完成充电的电池继续充电或是充电前对每个单体电池逐一通过同一负载放电至同一电平来进行均衡, 然后再进行串联衡流充电, 来保证各个单体之间较为准确的均衡状态, 这样, 利用效率就提高了很多。
3 结论
本文介绍了能量采集的的各个重要模块及集成充电的方法与原理, 对于各个结构进行了详细的研究。提出了可集成化的射频能量收集方案, 实现了从周围环境收集能量, 节约能源的目的。并在能量收集后的电池充电中, 给出了对电池组电压均衡充电的充电模式的分析。
参考文献
[1]王芳, 李焕焕, 韩文超等.基于热释电传感器的能量采集系统设计[J].功能材料与器件学报, 2012.05.
[2]周盛华, 吴南健, CMOS超高频整流器[J].半导体学报, 2007, 2 (89) :1472-1476.
振动能量收集 篇6
1 LEACH协议简介
LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[2]是一种低功耗自适应分层路由协议。该协议中网络运行时间按“轮”计量，每轮循环分为簇的建立和数据通信两个阶段。网络节点动态成簇，簇头负责收集、融合成员节点采集的数据，并将融合后的数据直接发送给基站。LEACH协议一方面能够保证各节点等概率地担任簇头，使得网络能量分布相对均衡;另一方面运用TDMA的MAC层机制来减少簇内数据发送冲突，降低了能耗。但该协议仍存在以下几点不足：(1)簇头的选择未考虑节点的距离和剩余能量因素，易导致簇头分布不均或能量低的节点当选簇头;(2)该协议提到了数据融合的概念，但并未给出具体的算法;(3)簇头与基站采用一跳通信模式，如果某个簇头距离基站较远，能耗会大幅增加，影响网络性能。
参考文献[3]针对突发事件监测网络利用蚁群算法构建数据收集链路，参考文献[4]提出了基于区域的簇头选择和采用贪婪算法构建簇间链式路由的多跳数据传输方法。以上两种方法节能效果都很显著，但单簇头使得网络的鲁棒性较差。参考文献[5]提出了基于自适应数据融合的路由协议，延长了网络时间，但未考虑到簇头的选择及其路由方式。
针对LEACH协议的不足，综合考虑簇头的选择、数据融合方法以及簇头与基站的通信方式三个方面，提出了改进算法LEACH-E。
2 改进的数据收集和融合算法
2.1 模型假设
本文对网络模型作如下假设：(1)基站固定;(2)所有节点同构，能量有限，具有定位功能以及数据融合能力(3)节点可调节功率大小与基站点通信;(4)节点能量消耗采用一阶无线电模式[6]。
2.2 算法描述
2.2.1 簇的建立
节点n产生随机数，当该值小于门限值T(n)时，该节点成为本轮的一个簇头，否则节点等待簇头发出公告，根据信号的强弱来决定自己要加入的簇。为避免节点因任务过重而过早死亡，LEACH-E算法中将T(n)定义如下：
其中，p为网络中簇头个数的百分比，r为当前轮数，G为最近1/p轮未当选过簇头的节点集，Eo和Ecureent分别是节点初始能量和当前能量。
同时，为了避免产生的簇头过于集中，甚至导致簇内通信彼此干扰[7]的情况出现，一旦选出的两个簇头间距小于通信半径的1/4，就取消其中能量较小的节点本次担任簇头的资格。
2.2.2 簇头的数据融合
数据融合[8]是将来自不同节点的信息中冗余、无效和可信度较差的部分删除，并处理成一个较小的、内容等价的信息，从而在满足用户需求的条件下最小化网络传输量。在WSN中，相比于数据的采集和处理，节点的能量主要消耗在无线通信模块，而数据融合正是一种能极大程度地减少通信量从而降低能耗的技术。
由于同一个簇内节点分布相对集中，不同节点一定时间内采集的数据有极大的相关性，本文采用主成分分析法对数据降维，即将多个原始变量线性组合为少数几个互不相关的综合变量(即主成分)，从而使这些主成分能够反映原始变量的绝大部分信息，且所含的信息互不重叠。其具体步骤如下：
(1)簇头每隔一定时间收到一次N个成员节点发送的数据，当收到M次后，构成原始数据矩阵XM×N，其中xij表示第j个节点第i次发送的数据。
(2)对XM×N进行标准化处理得到X，记μ1×N为均值向量，σ1×N为标准差向量。
(3)求标准化后变量的协方差矩阵SN×N。
(4)求S的特征值λ1≥λ2≥…≥λN>0及相应的单位正交特征向量A=(a1,a2,…,aN)。
(5)确定主成分个数p。方差贡献率反映了主成分Yi所含信息量的大小，p值的确定以累计贡献率达到85%以上为原则。记E=(a1,a2,…,ap)(p
(6)计算标准化的原始数据在提取出的特征向量上的投影。
(7)数据的重构。簇头将得到E、Y、μ、σ发送给基站，基站对数据进行重构，计算D=YET，同时将μ扩展成UM×N，其中U的每一行均由μ构成，将σ对角化为Σ，令X*=DΣ+U，即得到原始数据的近似。
2.2.3 簇间的路由
由能量模型可知，节点间路径越短，其通信能耗就越小。基于WSN拓扑结构不断变化的特点，本文采用蚁群算法建立簇间路由，从而将簇头的一跳通信改为多跳，在缩短单跳距离的同时保证簇头到基站的路径之和最短。
蚁群算法[9]是一种自组织的、并行的算法，其基本思想是蚂蚁能够根据相邻簇头间信息素的积累建立正向反馈机制找到通往基站的最短路径。首先，随机分配m只蚂蚁到n个簇头上，每条路径上初始信息素相等，每只蚂蚁根据路径上的信息素浓度、距离以及剩余能量独立选择下一跳节点，t时刻蚂蚁k从簇头i到相邻簇头的转移概率定义为：
其中，Ni为节点i在通信半径以内的节点即邻居节点，Mk为第k只蚂蚁已走过的节点集，启发式因子ηij=1/dij2,τij、dij分别为两簇头间的信息素和距离。在所有蚂蚁完成一次搜索之后，按以下规则更新最优路径上的信息素量：
其中,ρ为信息素挥发因子，Q为信息素强度，Lk表示第k只蚂蚁在本次循环中所走路径的总长度。当算法运行达到最大迭代次数后，选择值最小的作为当前最优解，簇头将沿着得到的最优路径通过多跳方式将数据传给基站。
由于蚁群算法是一种启发式算法，下一跳节点的选择有一定的随机性，因此不能保证每次都能找到最短路径，这样可能会增加传输延迟和节点能耗，但同时也避免了一定时间内总是沿着唯一一条最短路径进行通信，进而导致该路径上的簇头承担了太多的发送任务而过早死亡的情况出现。
3 仿真实验与分析
本文运用MATLAB7.0进行仿真，分别从簇头向基站发送数据包的数目、节点的平均能耗和网络存活节点个数三个方面来比较改进前后算法的性能。
在100 m×100 m的区域内随机分布100个节点，基站位于(50,175)。具体参数设置如表1。
图1是簇头发送给基站的数据包数目。当簇头基于主成分分析法对数据融合之后，原本每个簇头要发送M×N个数据，如今只需传送(M×p+N×p+2N)个数据，从而大幅地减少了数据通信量，缓解了网络拥塞。图2直观地表明LEACH-E算法能有效减少节点的平均能耗。图3是网络存活节点个数随轮数的变化情况。LEACH中网络运行至第449轮时第一个节点死亡，当LEACH-E在560轮时才出现死亡节点，前者在518轮时半数节点死亡，而后者在599轮时50%节点死亡，可见改进后的算法能将网络周期延长15%左右。这正是由于LEACH-E充分考虑了簇头的位置分布、剩余能量、通信方式等因素，使网络能量被均匀分担到每个节点上，避免了部分节点负载重而过早失效，从而有效延长了网络的生存时间。
本文基于LEACH协议，针对簇头的选择、数据融合算法以及簇头到基站的通信方式做了一系列优化。实验结果表明,该算法相比于LEACH协议能有效地节省节点能耗，保证网络负载均匀，延长网络生命。但本文未考虑数据融合带来的延迟问题，因此如何平衡数据融合的时效性是进一步探索和研究的方向。
摘要：针对WSN路由协议LEACH中簇头负载过重的问题,提出一种改进的数据收集和融合算法LEACH-E,在簇的建立阶段根据节点的剩余能量及相对距离选择簇头;在通信阶段,运用主成分分析法对簇头收到的数据进行降维处理,再将融合后的数据沿着蚁群算法找到的最优路径以多跳方式发送给基站。仿真结果表明,该算法在均匀分簇、均衡节点能耗、延长网络生命等方面有更好的性能。
关键词：无线传感器网络,路由,能量,数据融合
参考文献
[1]王殊,阎毓杰,胡富平.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
[2]HEINZELMAN W,CHANDRAKASAN A,BALAKRISHNANH.Energy-efficient communication protocol for wireless micro-sensor networks[J].IEEE Computer Society,2002:3005-3014.
[3]杨靖,熊伟丽,秦宁宁,等.用于无线传感器网络的高效能数据收集算法[J].吉林大学学报(工学版),2011,41(6):1720-1725.
[4]李雅卿,李腊元.WSN中LEACH路由协议的改进及其仿真[J].计算机工程,2009,35(10):104-106.
[5]王培东,袁召兰,王瑜.基于自适应数据融合的LEACH路由协议[J].电子技术应用,2011,37(7):123-126.
[6]廖明华,张华,谢建全.基于蚁群算法的WSN能量预测路由协议[J].计算机工程,2012,38(3):88-90.
[7]张路桥,朱清新,吕涛,等.无线传感器网络中考虑干扰的拓扑优化[J].电子科技大学学报,2011,40(4):564-567.
[8]孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005:260-272.
振动能量收集 篇7
随着科学技术的迅速发展,很多微型系统,如无线传感器、微功率工业检测和控制器、微小信息及通讯装置在民用与军事上正在或将得到广泛应用。由于这些微型系统往往分布在广阔区域、长期工作,故需要能长期供电的微小能源。有线供电方式不可行,传统的电池由于能量有限,需要频繁充电或更换( 既费时费力费钱,有时还难以实现) ,故已不能满足这些微型系统的能源需求。因此, 如何利用能量收集技术,从周围自然环境中的风、光、温度、振动等相对来说无穷尽的来源中获取能量,并转化为微型系统可以使用的电能,正成为研究的热点。
温差发电技术是一种无污染、结构简单、长寿命的能量收集方式,有广阔的应用市场。文中针对目前许多测量仪表微功耗的特点,以热能计量仪表为应用对象,研究设计了一种基于热电转换原理的温差发电微功率电源,用来为仪表提供持久电力。实验证明,该方法切实有效、可行。
1电源系统的工作原理和组成
两种不同材料组成的闭合回路,当其两个接点温度不同时,回路中会产生热电势,这就是热电效应。将若干个上述回路串联起来,就可以制成能够得到数十毫伏开路输出电压的温差发电元件。热能计量仪表安装于供热管道上,管道内供热流体温度至少比环境温度高几十度,故可以使用温差发电元件将流体热能转换为电能。
由于热电转换后得到的电压很低,需采用升压技术将微弱的直流电压升高到可以供设备使用的电压( DC/DC升压) 。另一方面,热能计量仪表是以间歇方式工作的, 全速工作时耗电大,间歇时耗电极微,而温差发电元件功率有限,且受温差发电材料受热面与散热面温差大小的影响。因此,需要考虑配置储能元件,将热电转换得到的电能在富余时储存起来,在热能表全速工作时释放出来,以满足设备需要。
文中研究设计的微功率热电转换电源组成如图1所示,主要包括温差发电,升压电路,电能储存等几个部分。
2电路设计
2.1温差发电片
半导体材料可以产生较高的热电势,用半导体材料制成温差发电元件已商品化,市场上有售。现选用的温差发电片型号为TEC112706、尺寸为40 mm × 40 mm × 4 mm。 安装方式如图2所示。温差发电片热端涂有导热硅胶与供热管道壳体接触,以增强导热性; 冷端则装有铝制散热片,加强散热,以期尽量增大热端与冷端间的温差。
实验中以可调温度的循环热水为热源,以热源和环境的温度差作为变量,研究温差发电片开路电压与此温度差的关系。
实验发现,开路电压与此温度差的关系近似线性。在热源和环境的温度差为10 ℃ 时,开路电压约为61 m V; 温度差为70 ℃ 时,开路电压约可达到385 m V。
在热源温度和环境温度不变的情况下,改善散热条件可使温差发电片两侧的温差增大,有利于提高温差发电片输出开路电压。
2.2DC/DC升压电路
温差发电片只能获得数十到上百m V的微弱直流电压,必须使其升压以满足仪表用电要求。要将直流电压升压,需先用振荡电路将其转换为交流电,再经变压器升压、 整流,才能获得高的直流电压。若采用一般元件来构建升压电路,升压电路本身的功耗将耗尽温差发电片的电力, 故必须采用特殊电路。
文中选用超低 电压型升 压转换和 电源管理 器— LTC3108 ( linear technology corporation,最低输入电压为20 m V) ,配合型号为LPR6235 - 752SML、贴片封装、匝数比为1∶ 100的升压变压器,将温差发电片输出电压升高。 图3是升压电路。
图3中左端为温差发电片,其微弱电压经电容Cin、升压变压器T的初级线圈进入LTC3108的SW端口,经内部开关产生自谐振荡信号,将直流电压变为交流电压,再经升压变压器T升压。升压后,电流经电容C3进入内部整流器和充电泵充电。当VAUX端电压超过2. 5 V时,Vout端口将产生最大4. 88 V的电压输出,给外部设备供电。当供电能量超过输出量时,Vstore端口会产生最大5. 25 V电压给Cstore充电,从而将多余的电量储存。当供电量过低时,Cstore储存的电量就可以通过Vstore端口给电路供电。
该电路只要输入电压 > 20 m V,就可以正常升压,而温差发电片很容易满足这个条件。
2.3电能的储存
用温差发电片进行热电转换时产生的电力瞬时功率有限,可能不能满足仪表短时全速工作的电能需求。但其可长期工作发电,在仪表休眠时电能有富余,应将这部分电能储存起来备用。
用充电电池来储能,因充电电路复杂、要求高,也不经济,故不可取。现采用一种新型储能元件—超级电容来储能。超级电容依靠双电层及氧化还原假电容电荷来储存电能,充电电路极简单、充电速度非常快,能量转换效率高、功率密度大、放电能力极强,无“记忆效应”,寿命长,深度充放电循环可达数十万次,使用非常方便且无需维护。对温差发电系统来说,超级电容是非常理想的储能元件。
文中选用日本松下公司生产的H型超级电容,额定电压5. 5 V,容量1. 5 F。超级电容直接接在图3中芯片LTC3108的Vstore端口,无需额外的充电电路,充电非常简单。
3实验结果
3.1温差发电片热电转换能力
图4是在室温20 ℃ 时,温差发电片加图2所示铝制散热片情况下,热源温度和发电片开路电压的关系。从图4中可以看到,温差发电片开路电压随热源与环境温度温差的增大而增大,二者近似成线性关系。在热源与环境温差很小时,开路电压就可达到20 m V,很容易满足升压转换和电源管理器LTC3108的输入电压要求; 温差70 ℃ 时, 开路电压可达385 m V。
3.2电源带载能力试验
在图3所示的升压电路Vout端接入不同直流电阻以模拟电源负载。
考虑到目前很多微功耗智能仪表采用了MSP430系列微功耗单片机作为核心,而MSP430额定电压范围为1. 8 V ~ 3. 6 V,典型工作电压为3. 3 V。故作电源带载能力试验时,以3. 3 V为判定依据,升压电路Vout端电压达到此电压即认为可满足仪表正常工作用电需求。
图5为不同负载时,电源Vout端口电压大小随热源与环境温差变化情况。从图5中可以看到,在40 kΩ、 20 kΩ、10 kΩ 负载情况下,Vout端口电压达到3. 3 V所需温差分别为: 22 ℃ 、28 ℃ 和53 ℃ 。此三种情况下电源的输出电流分别为: 82. 5 "A、165 "A和330 "A。鉴于以MSP430为核心的微功耗设备的平均工作电流通常在几百"A以下。因此,此电源完全可以满足此类低功耗设备的工作需要。
4结语
研究了利用温差发电技术将热能转换为电能,为微功耗仪表提供持久电力的方法。并设计基于LTC3108,实现DC / DC升压、用超级电容储能的微功率实用电源电路。 所做实验证明,该电源能够为低功耗仪表设备提供足够的电力,尤其适合于在供热计量系统中应用。