使用帶有小型太陽能電池的超級電容器進行電源管理和能量存儲，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且對環(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能電池。近年來，太陽能電池已投入大量開發(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)，并且無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 正變得無處不在。本文將重點關(guān)注環(huán)境收集的太陽能，如果在房間內(nèi)沒有檢測到，它可以為運動傳感器提供動力以關(guān)閉燈，

為什么是超級電容器?

根據(jù)光照水平，無論是在室內(nèi)還是室外，小型太陽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牙的~50mW 到蜂窩傳輸?shù)膥7W。因此，問題就變成了如何從低功率電源為需要更高功率的無線傳輸供電。超級電容器解決了這個問題，起到了臨時儲能和電力輸送的作用。

本文將在兩個案例研究中研究如何將超級電容器與小型太陽能電池一起使用：

1. 相對低功耗的應(yīng)用，僅在有室內(nèi)光時運行，提供亞 mW 功率并使用 BLE 傳輸。超級電容器的大小只需針對支持峰值負載突發(fā)的能量和功率。

2. 一種戶外太陽能電池，適用于必須在沒有光的情況下運行的更高功率應(yīng)用，例如夜間和使用 GPRS 的 SMS 報告。在這種情況下，超級電容器的尺寸適合在黑暗期間以及峰值負載期間存儲能量。

小而薄的棱柱形超級電容器是第一種情況的理想選擇，特別是對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 400F 的較大圓柱形罐最適合第二種情況。我將使用 CAP-XX 超級電容器來演示這兩種情況。

超級電容器是理想的電源緩沖器

在低阻抗超級電容器出現(xiàn)之前，設(shè)計人員需要針對負載的峰值功率調(diào)整整個電源系統(tǒng)的尺寸。例如，假設(shè)遠程位置每小時使用 SMS 報告其狀態(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。對于 GPRS 8 類(單時隙傳輸)，平均功率 = 7/8W 和超過三秒 ~2.6J 的能量。沒有超級電容器的唯一解決方案是擁有一個可以提供 7/8W 功率的太陽能電池，或者對一個可以提供這種功率的電池進行涓流充電，可能需要一個鉭電容器或電解電容器來支持 0.577ms 的 7W 傳輸峰值。

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

超級電容器使用物理電荷存儲而不是電化學(xué)，因此具有“無限”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。

物理電荷存儲和低 ESR 超級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有益屬性。超級電容器充電/放電的損耗是 I 2 ESR 損耗。

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

超級電容器的充電也非常簡單，只需要具有過壓保護的充電電流，而不是恒壓恒流機制。

表征太陽能電池

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

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

對于本文中的兩種情況，我們選擇了并聯(lián)的 5 x IXYS KXOB22-4X3L 太陽能電池陣列，因為它們體積小且效率高。

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。實線顯示電流作為太陽能電池電壓的函數(shù)，當(dāng) I=0 時具有開路電壓，當(dāng) V=0 時具有短路電流。虛線曲線顯示了作為電壓函數(shù)的功率。峰值功率點通常為開路電壓的約 70% – 80%。顯示該太陽能電池陣列在 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。我們在案例研究中使用了 100 勒克斯。

顯示了戶外照明的類似曲線。我們在悉尼陽光明媚的秋日測量了 83,000 勒克斯，在 1.25V 下提供了 62mW 的峰值功率。在陰天，我們測量了 22,000 勒克斯，在 1.15V 下提供 17mW 的峰值功率。我們利用陽光明媚的日子進行案例研究。