在如今這個(gè)非常注重環(huán)保的時(shí)代,似乎一切都在走向環(huán)保。能量收集這個(gè)概念出現(xiàn)已有10多年時(shí)間,但在真實(shí)環(huán)境中實(shí)施基于環(huán)境的能源輸送系統(tǒng)一直以來(lái)都很麻煩、復(fù)雜且成本高昂。不過(guò),也有很多市場(chǎng)成功采用了能量收集方法,包括交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線醫(yī)療設(shè)備、胎壓檢測(cè)和樓宇自動(dòng)化。具體來(lái)說(shuō),在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中,諸如感應(yīng)傳感器、恒溫器,甚至電燈開(kāi)關(guān)等都不再使用通常與安裝相關(guān)的電源或控制電纜,而是改用本地能量收集系統(tǒng)。
在構(gòu)建智能樓宇時(shí),包括商用和住宅建筑,讓樓宇節(jié)能是確保能效結(jié)構(gòu)不會(huì)大幅消耗來(lái)自使用化石燃料的傳統(tǒng)能源的先決條件。
對(duì)于商業(yè)建筑,使其智能化對(duì)于入駐其中的組織來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵,這是因?yàn)楣?jié)能和改進(jìn)型的樓宇可以幫助降低能源成本,同時(shí)為在其中工作的人員提供高效的工作環(huán)境。但是,這種做法本身也存在缺陷。舉例來(lái)說(shuō),這些樓宇需要其基礎(chǔ)設(shè)施可以提供必要的反饋,以實(shí)現(xiàn)供暖和制冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行、照明控制和有效地利用空間。這很可能需要使用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)作為監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境的方法,且為了實(shí)現(xiàn)高效管理和控制,會(huì)提高對(duì)替代電源的依賴性。
01 與智能樓宇相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)
智能樓宇會(huì)不斷改變?nèi)藗冮_(kāi)展日常活動(dòng)的方式。此外,在節(jié)能的同時(shí),智能樓宇還能幫助省錢(qián)。為了實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變,有些物聯(lián)網(wǎng)智能樓宇趨勢(shì)正在形成。
預(yù)測(cè)性維護(hù)利用傳感器(IoT)和其他硬件設(shè)備來(lái)獲取商業(yè)建筑和樓宇內(nèi)所有設(shè)備的狀態(tài)報(bào)告就是個(gè)很好的例子。這種反饋?zhàn)屛覀兡軌蛟谛枰獣r(shí),及時(shí)有效地實(shí)施必要維護(hù)。通過(guò)使用預(yù)測(cè)性維護(hù)方法,可以解決預(yù)測(cè)性維護(hù)安排期間經(jīng)常出現(xiàn)的不可預(yù)見(jiàn)的問(wèn)題。
此外,空氣質(zhì)量會(huì)給員工效率造成不利影響。對(duì)這一領(lǐng)域開(kāi)展的行業(yè)研究表明,在室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量良好的樓宇中工作的人員,效率比在傳統(tǒng)樓宇中工作的人員高10%。所以,物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以使用作為Mesh網(wǎng)絡(luò)組成部分的各種傳感器來(lái)測(cè)量和檢測(cè)空氣質(zhì)量,以及空氣中的二氧化碳含量。這些設(shè)備連接至樓宇基礎(chǔ)設(shè)施的所有部分,可以確保其內(nèi)的環(huán)境和人員保持健康和高效。
另一項(xiàng)預(yù)計(jì)會(huì)取得進(jìn)展的新趨勢(shì)是在智能樓宇中使用物聯(lián)網(wǎng)支持的應(yīng)用。使用熱成像讓設(shè)備經(jīng)理檢查其設(shè)備是否超出正常的操作溫度范圍就是個(gè)很好的例子。這很容易檢測(cè)到,所以可以在設(shè)備中斷正常的操作模式之前實(shí)施維護(hù)。例如,物聯(lián)網(wǎng)可以改變商業(yè)設(shè)備經(jīng)理跟蹤信息、測(cè)量和收集數(shù)據(jù)的方式,這包括以前難以到達(dá)、不可進(jìn)入的區(qū)域。在樓宇各處安裝傳感器讓他們可以跟蹤獲取以前無(wú)法獲取的所有信息。通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng),設(shè)備經(jīng)理現(xiàn)在能夠使用這些系統(tǒng)獲取所有相關(guān)信息。
此外,物聯(lián)網(wǎng)讓商業(yè)業(yè)主的樓宇擁有充足的能源成為可能。這對(duì)樓宇的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了影響,使它們既環(huán)保又資源高效。此外,這些智能樓宇管理系統(tǒng)可以在任何位置進(jìn)行遠(yuǎn)程管理,使用可由指示器(例如振動(dòng)和溫度波動(dòng))控制的傳感器來(lái)取代過(guò)時(shí)的重型建筑設(shè)備。很顯然,這可以節(jié)省大量能源和資金,同時(shí)降低維護(hù)成本。
最后,物聯(lián)網(wǎng)對(duì)樓宇造成的最重要的影響之一即是能效。傳感器網(wǎng)絡(luò)提供信息,幫助管理者更有效地管控其資產(chǎn),同時(shí)減少環(huán)境中的有害廢物。例如:
-
使用傳感器來(lái)控制溫度
-
使用執(zhí)行器實(shí)施HVAC控制
-
為樓宇提供完整的能源自動(dòng)化等復(fù)雜應(yīng)用
-
關(guān)注天氣預(yù)報(bào),以實(shí)時(shí)節(jié)省能源成本
02 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn):一種能量收集關(guān)鍵應(yīng)用
能量收集系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器。在美國(guó),樓宇是每年消耗能源最多的領(lǐng)域,緊隨其后的是交通和工業(yè)領(lǐng)域。
使用能量收集技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以將樓宇內(nèi)任意數(shù)量的傳感器連接在一起,在樓宇或房間內(nèi)無(wú)人時(shí)調(diào)節(jié)溫度或關(guān)閉非關(guān)鍵區(qū)域的照明設(shè)備,以降低HVAC和電力成本。此外,能量收集電子設(shè)備的成本往往低于運(yùn)行供電線路的成本,或低于更換電池實(shí)施的例行維護(hù)的成本,所以很明顯,采用能量收集技術(shù)可以獲得經(jīng)濟(jì)收益。
但是,如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要自己的外部電源,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多種優(yōu)勢(shì)都將不復(fù)存在。盡管現(xiàn)行的電源管理開(kāi)發(fā)使電子電路能夠在給定電源下運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間,但也存在限制,而能量收集為其提供了一種補(bǔ)充方法。所以,能量收集是通過(guò)將本地環(huán)境能源轉(zhuǎn)化為可用的電能,為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)提供電源的一種方式。環(huán)境能源包括光照、溫度差、機(jī)械振動(dòng)、傳輸?shù)?a target="_blank">射頻信號(hào),或者能夠通過(guò)傳感器產(chǎn)生電荷的其他源。這些能源無(wú)處不在,可以通過(guò)使用合適的傳感器,例如針對(duì)溫度差的熱電發(fā)電機(jī)(TEG)、針對(duì)振動(dòng)的壓電元件、針對(duì)光照(或室內(nèi)照明)的光伏電池,甚至濕氣中的原生能,將它們轉(zhuǎn)化為電能。這些所謂的“免費(fèi)”能源可用于自動(dòng)為電子組件和系統(tǒng)提供電源。
現(xiàn)在整個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可以在微瓦平均功率級(jí)水平下工作,所以可以使用非傳統(tǒng)電源來(lái)為它們供電。這就導(dǎo)致了能量收集技術(shù),為使用電池不方便、不可行、成本高昂或危險(xiǎn)的系統(tǒng)提供充電、補(bǔ)充電源,或者替換其電池。也無(wú)需使用電纜來(lái)傳輸電力或傳輸數(shù)據(jù)。
典型的能量收集配置或無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)一般由4個(gè)塊組成,如圖1所示。它們分別是:
-
環(huán)境能源
-
一種為下游電子設(shè)備供電的換能器元件和功率轉(zhuǎn)換電路
-
一種鏈接節(jié)點(diǎn)與物理世界的傳感組件,以及用于處理測(cè)量數(shù)據(jù)并將它們保存在存儲(chǔ)器中的微處理器或微控制器組成的計(jì)算組件。
環(huán)境能源示例包括連接到制熱源(例如HVAC風(fēng)道)上的TEG(或熱電堆),或者連接到振動(dòng)機(jī)械源(例如窗玻璃)上的壓電式傳感器。至于熱源,一個(gè)緊湊的熱電器件可以將小溫差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋T诖嬖跈C(jī)械振動(dòng)或應(yīng)力的環(huán)境中,壓電器件可用于將這些能源轉(zhuǎn)化為電能。
電能產(chǎn)生后,即會(huì)被能量收集電路轉(zhuǎn)化,并調(diào)整為適合下游電子設(shè)備使用的電源。所以,微處理器可以喚醒傳感器來(lái)進(jìn)行讀取或?qū)嵤y(cè)量,然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來(lái)進(jìn)行處理,并通過(guò)超低功率無(wú)線收發(fā)器進(jìn)行傳輸。
圖1. 典型能量收集系統(tǒng)的主要模塊。
當(dāng)然,能量收集源提供的電能由源運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)決定。所以,比較回收能源的主要指標(biāo)在于功率密度,而非能源密度。能量收集一般會(huì)受較低、可變、不可預(yù)測(cè)的可用功率水平影響,所以通常使用混合結(jié)構(gòu),與收集器和二次儲(chǔ)能器連接。收集器可以提供無(wú)限量的電源但功率不足,是系統(tǒng)的能量來(lái)源。二次儲(chǔ)能器(電池或電容)產(chǎn)生更高的輸出功率,但存儲(chǔ)的電能較少,可在需要時(shí)提供電源,但是需要定期從收集器接收充電。所以,在不存在環(huán)境能源,無(wú)法收集電能的環(huán)境中,必須使用二次儲(chǔ)能器來(lái)為WSN供電。
成功設(shè)計(jì)一個(gè)完全獨(dú)立的無(wú)線傳感器系統(tǒng)需要使用穩(wěn)定可用的低功耗微控制器和換能器,在低能耗環(huán)境中消耗最少電能。這種能量收集器模塊的現(xiàn)有實(shí)施方法如圖1所示。它們通常由低性能分立器件配置構(gòu)成,一般包含30個(gè)或更多器件。這種設(shè)計(jì)具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致終端系統(tǒng)的性能降低。
由于高靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出最低限制,所以在給輸出提供額外功率之前,它必須先克服自身運(yùn)行所需的電流電平。在上述應(yīng)用中,ADI的Power by Linear(PbL)產(chǎn)品系列可以提供高性能和簡(jiǎn)單性。
03 能量收集示例
LTC3109 是一款高度集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源管理器。它可以從極低輸入電壓源收集剩余能量并進(jìn)行管理,例如TEG、熱電堆,甚至小型太陽(yáng)能電池。其獨(dú)特的專有自動(dòng)極性變換拓?fù)涫蛊淠軌蚴褂玫椭?0 mV的輸入源進(jìn)行操作,無(wú)論輸入源是什么極性。
圖2所示的電路使用兩個(gè)緊湊型升壓變壓器將輸入電壓源升壓來(lái)提供給LTC3109的輸入,從而為無(wú)線檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供完整的電源管理解決方案。它可以收集較小的溫度差并生成系統(tǒng)電源,而不是使用傳統(tǒng)的電池電源。
圖2. LTC3109典型應(yīng)用原理圖。
然后,使用外部充電泵電容和LTC3109內(nèi)的整流器來(lái)提升和整流每個(gè)變壓器的二次繞組上產(chǎn)生的交流電壓。這個(gè)整流器電路將電流輸入VAUX引腳,為外部VAUX電容充電、然后是其他輸出充電。內(nèi)部的2.2 V LDO控制器可以支持低功耗處理器或其他低功耗IC。
04 結(jié)論
由于全球都缺乏模擬開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí),所以很難為環(huán)保樓宇設(shè)計(jì)出高效的能量收集系統(tǒng)。主要阻礙之一是與遠(yuǎn)程無(wú)線傳感相關(guān)的電源管理。但是,LTC3109這類(lèi)的產(chǎn)品可以從幾乎所有熱源提取能量,從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用能量收集電源。這不但可以減少使用化石燃料,還有助于為現(xiàn)在和未來(lái)的幾代人創(chuàng)建更環(huán)保的樓宇環(huán)境。
原文標(biāo)題:環(huán)保樓宇數(shù)量激增,能量收集成為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵應(yīng)用!
文章出處:【微信公眾號(hào):亞德諾半導(dǎo)體】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
-
亞德諾
+關(guān)注
關(guān)注
6文章
4680瀏覽量
15949
原文標(biāo)題:環(huán)保樓宇數(shù)量激增,能量收集成為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵應(yīng)用!
文章出處:【微信號(hào):analog_devices,微信公眾號(hào):analog_devices】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論