工業(yè)網(wǎng)絡的太陽能和熱源獲取能量收集技術

本文著眼于為工業(yè)環(huán)境中的獨立網(wǎng)絡節(jié)點提供電力，從振動，太陽能和熱源獲取能量的技術和技術。

能源管理是任何工業(yè)運營中越來越重要的一部分。電力和天然氣是關鍵的管理成本，并且控制這些成本可能是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。同時，可以在車間使用更多聯(lián)網(wǎng)傳感器來監(jiān)控設備，同時增加能源需求。預計這種機器2機器（M2M）網(wǎng)絡單元的市場將在未來十年內(nèi)增長到超過500億臺設備，并且它們都需要用于運行的電力。

在工業(yè)環(huán)境中，這些M2M裝置通常附近有能源;將網(wǎng)絡節(jié)點綁定到電源插座可能是昂貴且耗時的。隨著芯片制造技術的進步以顯著降低功耗，以及可以提供長距離和低功耗的頻率和協(xié)議選擇，這些單元現(xiàn)在可以利用本地環(huán)境來產(chǎn)生自己的功率。這種能量可以來自各種各樣的來源，從移動設備的振動能量到熱差異，甚至來自室內(nèi)照明的能量。

這些通常與可充電電池一起使用，充電電池充當電源和備用電源，但關鍵是這些不需要更換，并且可以持續(xù)設備的使用壽命，因為它們通過能量收集電路不斷充電。這些單元也是獨立的，因此它們可以放置在難以觸及的區(qū)域以及難以更換電池的區(qū)域，從而為操作管理者提供更大的靈活性，將這些傳感器和網(wǎng)絡節(jié)點放置在最佳位置。

太陽能

Silicon Labs帶薄膜電池的太陽能收集板（圖1）是一個評估板，其中包含提供由室內(nèi)照明或太陽供電的網(wǎng)絡節(jié)點的所有必要元素。它針對的是定期喚醒以測量和傳輸結果的系統(tǒng)，并且由于它是從能量收集源供電的，因此薄膜電池的預期壽命大于15年或7000 mAh。這也意味著無線節(jié)點可以設計成非常薄的外形，因為電池高度為0.17 mm，以適應最緊湊的空間。

圖1：采用薄膜電池的Silicon Labs太陽能收集板的細節(jié)。

該系統(tǒng)由兩部分組成：無線傳感器節(jié)點和EZRadioPRO USB加密狗。傳感器節(jié)點使用Silicon Labs Si1012無線MCU。加密狗使用Silicon Labs C8051F342 MCU和Silicon Labs Si4431無線電，工作頻率為919.84 MHz，由太陽能收集電源供電。當無線傳感器節(jié)點不傳輸數(shù)據(jù)時，Si1012無線MCU可以保持低功耗狀態(tài)，僅消耗50 nA。當啟用時，能量收集電源的漏電流大約為3μA，并且可以通過照射到太陽能電池中的50勒克斯來抵消。這允許能量收集供應系統(tǒng)在暗柜中（在ON位置）為系統(tǒng)供電大約七天，或者如果存在補充能量損失的周期性光源則無限期地供電。該系統(tǒng)適用于室內(nèi)照明（200 lx）和室外照明（10，000 lx）條件。

用于收集能源的能源管理電路包括提供直流能量的太陽能電池，可用于將交流振動能量轉換為直流能量的整流器，以及采用直流能量和調節(jié)的凌力爾特公司電池管理IC如果電壓過低，它還可以通過斷開電路來保護電池免于過度放電，并提供“運輸模式”，在運輸過程中斷開電池并使其能量保持到最后用戶啟動系統(tǒng)。

在能量收集系統(tǒng)中，重要的是保持系統(tǒng)使用的能量低于“收獲”能量的量，以防止儲存能量的穩(wěn)定耗盡。能量儲存庫越大，系統(tǒng)在沒有“從環(huán)境中”獲取新能量的情況下就可以越長。

本參考設計中使用的儲能器是IPS的4.1 V，700μA-H薄膜電池。這種電池提供足夠的能量存儲，以保持系統(tǒng)運行數(shù)天，沒有任何“收獲”的電力。

能量存儲器輸出端的能量管理電路將4.1 V薄膜電池電壓轉換為2.7 V穩(wěn)壓電源，供Si1012無線MCU使用。該電路的主要組件是超低功耗LDO，欠壓檢測器和100μF鉭電容，用于提供RF傳輸所需的峰值電流。 LDO的關斷引腳與掉電檢測器的輸出相連，因此系統(tǒng)在100μF電容充電至少3.0 V之前不會通電。這可確保系統(tǒng)不會嘗試上電，除非它有足夠的電量儲存能量以通過加電序列。

Microchip的XLP 16位能量收集開發(fā)套件（圖2）也使用太陽能作為工業(yè)能量收集應用的模塊化開發(fā)平臺的基礎。它基于Microchip的PIC MCU，采用nanoWatt XLP技術，可提供低于20 nA的休眠電流和低至50 nA的欠壓復位，從而使系統(tǒng)可以從太陽能電池的少量電源中有效運行。它針對RF傳感器，溫度和環(huán)境傳感器，公用事業(yè)儀表和安全傳感器。

圖2：Microchip XLP 16位能量收集開發(fā)套件。

該套件的開發(fā)板部分具有板載溫度傳感器，數(shù)據(jù)EEPROM，電位器，鐘表晶體，LED和用于PICtail模塊的擴展連接器。這些模塊支持RF收發(fā)器和SD/MMC卡。

套件的功率由Cymbet的太陽能收集器提供。該收割機采用高效太陽能電池板，適用于室內(nèi)或室外燈，可在兩個Cymbet EnerChip薄膜可充電儲能設備中捕獲，管理和儲存能量。當光線不足時，EnerChips為XLP開發(fā)板提供能量。

PIC24F微控制器使用Microchip和Cymbet開發(fā)的Energy Conscious軟件算法監(jiān)控電源條件和容量。可以通過USB連接將監(jiān)控的信息報告給PC用戶界面。這允許實驗和平衡能量收集與能量使用，最大化收集的能量用于工業(yè)網(wǎng)絡的益處。

熱能

為了轉換環(huán)境中熱能的功率，EnOcean的EDK312開發(fā)套件（圖3）包含一個低功率射頻發(fā)射器模塊，配有珀耳帖效應傳感器以捕獲熱能。

圖3：EnOcean EDK312熱能收集開發(fā)套件。

STM 312 RF模塊的工作頻率為868 MHz，支持各種無線和熱電傳感器，如溫度傳感器，濕度傳感器或室內(nèi)操作面板等。

ECT310 DC/DC轉換器的工作溫度為20 mV，與用作熱電發(fā)電機的低成本標準Peltier元件的2 Kelvin溫差有關。 Peltier元件的兩個極板之間的溫差產(chǎn)生電能，并且需要超低壓DC/DC轉換器以將小輸出電壓升壓到標準電子電路所需的大于3V的電壓。

能量產(chǎn)生的效率取決于Peltier元件的熱側和冷側之間的熱傳遞阻力，因此必須確保兩個陶瓷晶片的良好隔熱，例如通過使用合適的塑料或泡沫聚苯乙烯。

該套件具有預定義的功能集，可用于能源管理，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)傳輸。另外，可以基于Dolphin應用程序編程接口（Dolphin API）來實現(xiàn)用戶特定應用程序。

振動能量

在工業(yè)環(huán)境中，也有機會利用振動能量為網(wǎng)絡節(jié)點供電。一種方法是使用壓電傳感器，如MidéVoltureV22振動能量采集器（圖4）。這通過Midé專利的壓電換能器封裝技術將來自電機或其他設備的機械振動的其他能量浪費轉化為可用的電能。

圖4：用于收集振動能量的Mide V22壓電傳感器。

通過專有的制造工藝，Volture將壓電材料封裝在具有預先連接的電引線的保護性外殼中，從而產(chǎn)生沒有焊接線的堅固元件。保護性皮膚還提供電絕緣和防御工業(yè)環(huán)境中可見的濕度和苛刻污染物。

通過在懸臂傳感器上增加小重量，可以將收割機調諧到特定設備的共振頻率，從而提供最佳的功率輸出。通常很難利用低壓能量清除源，例如低振動幅度的壓電能量采集器，因為大多數(shù)RF芯片需要1.8V或更高的最小電壓才能工作。

使用這些電源需要升壓轉換器，其啟動電壓最小，啟動電流要求低，并且能夠優(yōu)雅地處理欠壓和慢速輸入電壓上升時間。這可以通過電荷泵芯片提供，該芯片在低至約380mV的輸入電壓下提供從大約2.4VDC（結束于1.6-2VDC）開始的功率脈沖。這提供了使用小型片上開關（“飛行”）電容器的升壓，而不是電感升壓轉換。這意味著與典型的升壓轉換器相比，初始輸入電流要求降低，只需要一個小的電源旁路電容即可可靠啟動。這對于直接為可以執(zhí)行其功能的小型傳感器供電是理想的，例如在已知的時間和功率下記錄和傳輸測量。

能量收集有廣泛的電力來源，每個工業(yè)環(huán)境都有自己的要求。使用來自電機的振動能量來為確定電機運行狀況的傳感器供電是很有意義的，尤其是當傳感器可以通過使用能量收集而無需電源線的無線網(wǎng)絡節(jié)點連接時。這允許節(jié)點深埋在機器內(nèi)部，提供關于系統(tǒng)健康狀況的重要數(shù)據(jù)，而無需更換電池的額外成本。

利用太陽能甚至溫差來為無線網(wǎng)絡供電，可以靈活地監(jiān)控和控制工業(yè)設備，并可以更加嚴格地控制成本。將能量收集傳感器，微控制器，無線電收發(fā)器和可充電電池組合在一起的詳細開發(fā)套件可幫助設備開發(fā)人員和網(wǎng)絡設計人員嘗試最有效的方式來獲取本地能量來為網(wǎng)絡供電。