熱能和振動能量怎么被物聯(lián)網設備收集

機械振動是為電子系統(tǒng)提供足夠能量的另一種方法。壓電換能器的振動通過使用特殊的質量和允許移動的特殊系統(tǒng)，近年來在能量收集應用中得到了廣泛的應用。

壓電轉換器利用直接的壓電效應，即當受到機械應變時，某些晶體產生電位差的特性。這種效應發(fā)生在納米尺度，是可逆的。近年來，聚合物塑料基壓電材料(Pvdf)得到了廣泛的發(fā)展，并在不斷地尋找新材料和越來越先進的制造工藝。

壓電效應將動能以振動或沖擊的形式轉化為電能。壓電發(fā)電機(能量收割機)通過將浪費在環(huán)境中的振動能量轉化為可用的電能，提供了一種可靠的解決方案。它們是需要為電池、超級電容或直接為遠程傳感器系統(tǒng)充電的應用程序的理想選擇(圖1)。

系統(tǒng)的總體性能取決于諸多因素，如輸入振動、傳感器的幾何形狀和材料、引起振動的質量、電子接口。因此，即使在早期的設計階段，也非常需要換能器和電路結行為的快速和可靠的定量估計，以優(yōu)化整個系統(tǒng)。

壓電效應的分析可以用下圖所示的電路來表示。

電感LM為等效慣性質量;電容CM為換能器的彈性;電阻RM表示機械損耗。機械部分是由發(fā)電機FIN產生的力,相反的反饋力發(fā)生器α-VP,由電壓控制的輸出設備上開發(fā)能力的CP(逆壓電效應)。同時,機械速度ż產生當前βż供應兩個電容輸出(壓電)的直接影響和其他可能的電氣負載連接到傳感器。因此,模型識別涉及以下六個獨立參數: LM , CM , RM , CP , α and β。α和β是熱系數相關的系統(tǒng)。

電源管理IC (PMIC)

溫差可以用來發(fā)電，從而利用在其他情況下會損失的多余熱量。太陽能和地熱系統(tǒng)的余熱可以被收集?？墒褂靡话慵矣秒娖鞯呐欧帕?。

假設我們使用電池供電的無線物聯(lián)網設備，這些設備在一個由人體、烤箱、電機產生熱梯度的環(huán)境中運行。如果沒有能量收集，這些設備的電池就需要更換，因為它們會釋放能量，這就產生了運營成本。根據可用的溫度梯度,熱電發(fā)電機可以生成20µw²10 mw /平方厘米。

熱電發(fā)電機和壓電傳感器與適當的PMIC相結合，將在物聯(lián)網應用中為電池充電。

為了設計更好的熱電能量收集系統(tǒng)，有許多特性需要考慮。包括電氣和熱需求，使用合適的熱電材料，特定應用要考慮耐久性目標，產品銷售價格和工程預算。

振動是一種無處不在的能量來源。每個在路上的汽車會在柏油路上,在駕駛艙產生振動,如果我們考慮高速公路的長度和大量流動的汽車,從振動能夠獲得能量的想法似乎很有吸引力。

Maxim公司的MAX17710是低功耗高效能量采集充電和保護的完整系統(tǒng),能管理輸出功率從1FW到100mW的能量采集器件. 它是行業(yè)首個IC集成的環(huán)境能量收集的電源管理的所有功能，充電和保護微能源電池以及(MECS)，一個固態(tài)電池的形式。在超低電流水平運行時，MAX17710接受來自管理不善的能量與輸出范圍從100mW的水平1μW到收獲各種來源的能量。例子包括光(通過光電池捕獲)，振動(由壓電元件捕獲)，熱量由熱電發(fā)電機捕獲)和射頻(例如，近場通信(NFC))。