使用帶有小型太陽(yáng)能電池的超級(jí)電容器進(jìn)行電源管理和能量存儲(chǔ)，第 1 部分

為什么要收集能量?

環(huán)境有豐富的能量，但很少有力量。能量收集可以利用環(huán)境的“無(wú)限”能源，并避免連接到主電源的成本或更換和處理電池的耗時(shí)且對(duì)環(huán)境敏感的任務(wù)。許多應(yīng)用都有成本和尺寸限制，因此本文將著眼于使用小型太陽(yáng)能電池。近年來(lái)，太陽(yáng)能電池已投入大量開(kāi)發(fā)工作，使其成為最高效、最有效和可用的小型能量收集器。能量收集為無(wú)線傳感器等自主應(yīng)用提供了方便且具有成本效益的能量供應(yīng)，并且無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 正變得無(wú)處不在。本文將重點(diǎn)關(guān)注環(huán)境收集的太陽(yáng)能，如果在房間內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到，它可以為運(yùn)動(dòng)傳感器提供動(dòng)力以關(guān)閉燈，

為什么是超級(jí)電容器?

根據(jù)光照水平，無(wú)論是在室內(nèi)還是室外，小型太陽(yáng)能電池都可以提供亞 mW 到 10 兆瓦的功率。峰值應(yīng)用功率范圍可能從藍(lán)牙的~50mW 到蜂窩傳輸?shù)膥7W。因此，問(wèn)題就變成了如何從低功率電源為需要更高功率的無(wú)線傳輸供電。超級(jí)電容器解決了這個(gè)問(wèn)題，起到了臨時(shí)儲(chǔ)能和電力輸送的作用。

本文將在兩個(gè)案例研究中研究如何將超級(jí)電容器與小型太陽(yáng)能電池一起使用：

1. 相對(duì)低功耗的應(yīng)用，僅在有室內(nèi)光時(shí)運(yùn)行，提供亞 mW 功率并使用 BLE 傳輸。超級(jí)電容器的大小只需針對(duì)支持峰值負(fù)載突發(fā)的能量和功率。

2. 一種戶(hù)外太陽(yáng)能電池，適用于必須在沒(méi)有光的情況下運(yùn)行的更高功率應(yīng)用，例如夜間和使用 GPRS 的 SMS 報(bào)告。在這種情況下，超級(jí)電容器的尺寸適合在黑暗期間以及峰值負(fù)載期間存儲(chǔ)能量。

小而薄的棱柱形超級(jí)電容器是第一種情況的理想選擇，特別是對(duì)于外形尺寸很重要的小型、空間受限的傳感器，例如在可穿戴設(shè)備中。高達(dá) 400F 的較大圓柱形罐最適合第二種情況。我將使用 CAP-XX 超級(jí)電容器來(lái)演示這兩種情況。

超級(jí)電容器是理想的電源緩沖器

在低阻抗超級(jí)電容器出現(xiàn)之前，設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)負(fù)載的峰值功率調(diào)整整個(gè)電源系統(tǒng)的尺寸。例如，假設(shè)遠(yuǎn)程位置每小時(shí)使用 SMS 報(bào)告其狀態(tài)一次，該 SMS 在 GPRS 蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳輸需要三秒鐘。峰值輸出功率約為 7W。對(duì)于 GPRS 8 類(lèi)(單時(shí)隙傳輸)，平均功率 = 7/8W 和超過(guò)三秒 ~2.6J 的能量。沒(méi)有超級(jí)電容器的唯一解決方案是擁有一個(gè)可以提供 7/8W 功率的太陽(yáng)能電池，或者對(duì)一個(gè)可以提供這種功率的電池進(jìn)行涓流充電，可能需要一個(gè)鉭電容器或電解電容器來(lái)支持 0.577ms 的 7W 傳輸峰值。

超級(jí)電容器的高能量存儲(chǔ)和高功率輸出使其非常適合緩沖來(lái)自低功率能量收集源的高功率負(fù)載，如圖 1所示。來(lái)源看到平均負(fù)載，使用適當(dāng)?shù)慕涌陔娮釉O(shè)備，將是設(shè)置在最大功率點(diǎn)的低功率恒定負(fù)載。負(fù)載看到一個(gè)低阻抗源，可以提供高功率事件持續(xù)期間所需的功率。唯一的限制是太陽(yáng)能電池的平均功率 > 平均負(fù)載功率 = 負(fù)載功率 x 占空比 / 超級(jí)電容器充電器的效率。超級(jí)電容器充電器的大小也適用于平均負(fù)載功率，而不是峰值功率，因此可以使用更小、成本更低的充電器。

超級(jí)電容器使用物理電荷存儲(chǔ)而不是電化學(xué)，因此具有“無(wú)限”循環(huán)壽命。它們還具有較寬的工作溫度范圍，等效串聯(lián)電阻 (ESR) 在 -40°C 時(shí)約為室溫 ESR 的兩倍，因此可用于室外應(yīng)用，例如北美和歐洲等較冷氣候下的周邊安全。

物理電荷存儲(chǔ)和低 ESR 超級(jí)電容器意味著它們具有出色的往返充電/放電效率，這是電源緩沖器的另一個(gè)有益屬性。超級(jí)電容器充電/放電的損耗是 I 2 ESR 損耗。

最壞的情況是支持 GPRS 傳輸?shù)某?jí)電容器，從 3.8V 放電至 3.2V，提供 2A 峰值電流。如果超級(jí)電容器 ESR = 100mΩ，則放電效率 = 95%。對(duì)于第二個(gè)案例研究，如果太陽(yáng)能電池以 50mA(圖 4中的峰值功率電流)為超級(jí)電容器充電，則充電效率 = 99.9%。

超級(jí)電容器的充電也非常簡(jiǎn)單，只需要具有過(guò)壓保護(hù)的充電電流，而不是恒壓恒流機(jī)制。

表征太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池?cái)?shù)據(jù)表通常指定 VI 特性和 1 個(gè)太陽(yáng)時(shí)的峰值功率：1KW/m 2或 100,000 勒克斯。在典型照明條件下可能難以估計(jì)提供的功率，因此最好在這些條件下表征太陽(yáng)能電池。

改變電位器并測(cè)量太陽(yáng)能電池兩端的電壓和 R SENSE兩端的電壓以確定電流。

對(duì)于本文中的兩種情況，我們選擇了并聯(lián)的 5 x IXYS KXOB22-4X3L 太陽(yáng)能電池陣列，因?yàn)樗鼈凅w積小且效率高。

顯示了該陣列在室內(nèi)光照水平下的特性。閱讀的合理光照水平約為 300 勒克斯，光線充足的辦公室約為 600 勒克斯，100 勒克斯是昏暗的光線，1500 勒克斯是明亮的室內(nèi)照明。實(shí)線顯示電流作為太陽(yáng)能電池電壓的函數(shù)，當(dāng) I=0 時(shí)具有開(kāi)路電壓，當(dāng) V=0 時(shí)具有短路電流。虛線曲線顯示了作為電壓函數(shù)的功率。峰值功率點(diǎn)通常為開(kāi)路電壓的約 70% – 80%。顯示該太陽(yáng)能電池陣列在 100 勒克斯下提供 0.15mW 的峰值功率。在 1500 勒克斯下，峰值功率為 1.5mW。我們?cè)诎咐芯恐惺褂昧?100 勒克斯。

顯示了戶(hù)外照明的類(lèi)似曲線。我們?cè)谙つ彡?yáng)光明媚的秋日測(cè)量了 83,000 勒克斯，在 1.25V 下提供了 62mW 的峰值功率。在陰天，我們測(cè)量了 22,000 勒克斯，在 1.15V 下提供 17mW 的峰值功率。我們利用陽(yáng)光明媚的日子進(jìn)行案例研究。