能量收集的背景

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；但是，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。但是，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。

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_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。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

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。

一種通信組件，包含短距無(wú)線電，用于和鄰近節(jié)點(diǎn)及外部世界無(wú)線通信。

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。

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。

結(jié)論

由于全球都缺乏模擬開關(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。

審核編輯：郭婷