通過(guò)能量收集降低智能照明的成本

照明對(duì)工業(yè)應(yīng)用中的功耗提出了特殊要求，找到有效的方法來(lái)管理電源并使照明系統(tǒng)更有效是降低運(yùn)營(yíng)成本的一個(gè)越來(lái)越重要的因素。

使用智能照明可以顯著減少組織或位置的能源費(fèi)用，但安裝和維護(hù)傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的成本可能超過(guò)節(jié)省的成本。然而，能量收集現(xiàn)在正成為幫助工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員降低功耗的可行技術(shù)。隨著無(wú)線收發(fā)器和微控制器的功耗下降，它們現(xiàn)在可以利用來(lái)自環(huán)境的能量來(lái)獲得低而恒定的功率。

使用太陽(yáng)能或熱能可用于為傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)供電，協(xié)調(diào)和控制廣泛區(qū)域的照明，而無(wú)需改造數(shù)英里的布線。這些系統(tǒng)確實(shí)使用電池，但增加能量收集的小額增量成本為運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)了巨大的好處，允許將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在難以接近的區(qū)域中的照明旁邊，并且無(wú)需更換電池。在工業(yè)環(huán)境中有數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)燈，除了起重機(jī)之外很多都無(wú)法進(jìn)入，這是一個(gè)關(guān)鍵的節(jié)省。

雖然使用能量收集產(chǎn)生的毫瓦來(lái)為LED燈供電是不可行的，但環(huán)境中的這種“免費(fèi)”功率可用于驅(qū)動(dòng)傳感器，這些傳感器可以在不需要時(shí)減少甚至關(guān)閉照明。該技術(shù)還可以為無(wú)線鏈路供電，該無(wú)線鏈路可以?xún)?yōu)化制造車(chē)間或工業(yè)環(huán)境中的照明，確保最有效地利用能源并降低成本。

只有當(dāng)有人在附近時(shí)，通過(guò)使用接近或移動(dòng)傳感器或來(lái)自中央服務(wù)器的通知，才能啟用照明，可以顯著降低功率需求，從而降低總體運(yùn)營(yíng)成本。

能量收集有助于實(shí)現(xiàn)這一功能，無(wú)需安裝布線即可添加到工業(yè)照明系統(tǒng)中，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)可以直接放置在任何需要的地方。由于照明遍布整個(gè)區(qū)域，因此可以節(jié)省數(shù)英里布線的材料和安裝，并為改造控制系統(tǒng)提供快速簡(jiǎn)便的技術(shù)。

這也可以與所謂的“日光采集”環(huán)境設(shè)計(jì)相結(jié)合。這充分利用了可用的日光，減少了人工照明，提供了一致的環(huán)境。這需要對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密控制，通常鏈接回使用設(shè)施布局的服務(wù)器上的軟件。能量收集技術(shù)可以提供一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)將無(wú)線鏈路改裝到照明系統(tǒng)中以提供必要的控制。

雖然這看起來(lái)很復(fù)雜，但使用“日光采集”的平均節(jié)省率為24％，而且在一些工業(yè)案例研究中發(fā)現(xiàn)高達(dá)80％。這大大降低了能源成本。

奇怪的是，燈的能量本身可用于為傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)供電。德州儀器（TI）的eZ430-RF2500-SEH是一款完整的太陽(yáng)能收集開(kāi)發(fā)套件，可幫助創(chuàng)建基于超低功耗MSP430微控制器的永久供電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

太陽(yáng)能收集模塊包括一個(gè)高效率的2.25 x 2.25英寸太陽(yáng)能電池板，優(yōu)化用于在室內(nèi)低強(qiáng)度熒光燈下工作，提供足夠的電力來(lái)運(yùn)行無(wú)線傳感器應(yīng)用而無(wú)需額外的電池。輸入也可用于外部能量采集器，例如熱能，壓電或其他太陽(yáng)能電池板。

圖1：德州儀器的能量收集開(kāi)發(fā)套件。

該系統(tǒng)還在一對(duì)薄膜可充電EnerChip中管理和存儲(chǔ)額外的能量，能夠?yàn)槌^(guò)四百次傳輸提供足夠的電力。它們充當(dāng)能量緩沖器，在應(yīng)用程序處于睡眠狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)能量，并且具有可用于收獲的光。電池是環(huán)保的，可以充電數(shù)千次。它們的自放電率也很低，這對(duì)能量收集系統(tǒng)至關(guān)重要。

eZ430-RF2500用于運(yùn)行能量收集應(yīng)用。它是一個(gè)完整的基于USB的MSP430無(wú)線開(kāi)發(fā)工具，提供使用微控制器和2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器所需的所有硬件和軟件。它包括一個(gè)USB調(diào)試接口，允許對(duì)MSP430進(jìn)行實(shí)時(shí)的系統(tǒng)內(nèi)調(diào)試和編程，并提供從無(wú)線系統(tǒng)向PC傳輸數(shù)據(jù)的接口。

集成溫度和RF信號(hào)強(qiáng)度指示器可用于監(jiān)控環(huán)境，外部傳感器可用于收集額外數(shù)據(jù)以支持工業(yè)照明系統(tǒng)。

該模塊背后的核心技術(shù)是將環(huán)境光轉(zhuǎn)換為電能的光伏或太陽(yáng)能電池。必須轉(zhuǎn)換，管理和存儲(chǔ)來(lái)自太陽(yáng)能電池的能量。這是由太陽(yáng)能收集模塊上的小型DIP安裝板EnerChip處理的。升壓轉(zhuǎn)換器用于將太陽(yáng)能電池的電壓增加到足以為薄膜電池充電并運(yùn)行系統(tǒng)其余部分的電壓。

充電控制模塊持續(xù)監(jiān)控升壓轉(zhuǎn)換器的輸出，如果低于為EnerChip充電所需的電壓，充電控制器會(huì)斷開(kāi)轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的連接，以防止在低光照條件下為其供電。電源管理模塊可防止EnerChip在低光照條件下或異常高電流負(fù)載下放電過(guò)深。它還可確保負(fù)載通過(guò)平滑的上電轉(zhuǎn)換進(jìn)行上電，從而在低光照條件下保持性能。

Microchip的XLP 16位能量收集開(kāi)發(fā)套件還將太陽(yáng)能用于無(wú)線節(jié)點(diǎn)，以控制工業(yè)照明系統(tǒng)。它采用Microchip的16位PIC單片機(jī)，其休眠電流低于20 nA，欠壓復(fù)位低至50 nA。該系統(tǒng)能夠從使用內(nèi)部光的太陽(yáng)能電池可用的少量電力有效地運(yùn)行以產(chǎn)生電力。

開(kāi)發(fā)板具有板載溫度傳感器，數(shù)據(jù)EEPROM，電位器，鐘表晶體，LED和用于外部模塊的擴(kuò)展連接器，支持RF收發(fā)器和SD/MMC卡。

圖2：Microchip的XLP 16位能量收集開(kāi)發(fā)套件。

Cymbet的太陽(yáng)能收集器為各種控制器提供動(dòng)力。收割機(jī)采用高效太陽(yáng)能電池板，適用于室內(nèi)工業(yè)照明和捕獲，并在兩個(gè)Cymbet EnerChip薄膜可充電儲(chǔ)能設(shè)備中管理和儲(chǔ)存能量。

Microchip和Cymbet合作開(kāi)發(fā)了用于16位微控制器的Energy Conscious軟件算法?？梢酝ㄟ^(guò)USB連接將監(jiān)控的信息報(bào)告給PC用戶界面。這允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在“日光采集”場(chǎng)景中平衡能量收集和能量使用，以盡可能地降低功耗。

Silicon Labs還有一個(gè)太陽(yáng)能收集板，它使用壽命超過(guò)15年或7000 mAh的薄膜電池。這使得無(wú)線節(jié)點(diǎn)具有非常薄的外形，電池高度為0.17 mm，以適應(yīng)照明外殼。

該板由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和EZRadioPRO USB Dongle組成，使用Silicon Labs Si4431無(wú)線電，工作頻率為919.84 MHz，由太陽(yáng)能收集電源供電。能量收集電源的泄漏電流為3μA，在太陽(yáng)能電池照射下可消除50 lux，使能量收集電源在黑暗環(huán)境中為系統(tǒng)供電約7天，仍可供控制如果有光源，可以室內(nèi)照明（200 lx）或室外照明（10，000 lx）進(jìn)行切換或無(wú)限期。

另一種方法是利用熱能。 EnOcean的EDK312評(píng)估套件使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠使用Peltier效應(yīng)器件從溫差中獲取功率（圖3）。由于工業(yè)環(huán)境通常產(chǎn)生大量熱量，Peltier設(shè)備可用于為每個(gè)溫差產(chǎn)生10 mV的電壓差。然后，這可以用于為工作在868 MHz的STM 312 RF模塊以及照明傳感器供電。

圖3：EnOcean EDK312熱能評(píng)估套件。

該套件具有預(yù)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?？梢曰贒olphin應(yīng)用程序編程接口實(shí)現(xiàn)用戶特定應(yīng)用程序。

Advanced Linear Devices提供微功率升壓低壓增壓器模塊，可將各種能量收集設(shè)備與電池連接，因此可與傳感器和無(wú)線鏈路配合使用。

EH4295是EH4200系列微功率升壓低壓增壓器的一部分，是一款自供電升壓模塊，可將低直流電壓輸入轉(zhuǎn)換為更高的交流或直流電壓輸出，適用于許多低功率能量收集應(yīng)用使用光電二極管，熱電或電磁發(fā)電機(jī)作為輸入源（圖4）。 EH4295不需要單獨(dú)的電源即可工作，它直接從低輸入電壓能量收集源獲得電源，從低至2μW開(kāi)始，這使得板載自啟動(dòng)振蕩器成為可能。

圖4：Advanced Linear Devices的EH4295升壓低壓增壓器。

EH4295具有950Ω的標(biāo)稱(chēng)輸入阻抗，適用于許多不同的能源發(fā)電源，也適用于涓流充電應(yīng)用，如電池充電器或超級(jí)充電器，包括能量輸入不是控制良好或受到監(jiān)管。

EH4295自啟動(dòng)振蕩器以約400 Hz的固有頻率振蕩，這取決于源阻抗，源電壓，輸出負(fù)載和EH4295板上的諧振元件。

EH4295的核心是為此應(yīng)用設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的MOSFET陣列。耦合到專(zhuān)用MOSFET陣列的板載變壓器構(gòu)成了自啟動(dòng)振蕩電路的核心。振蕩器波形耦合到模塊內(nèi)部的變壓器，該變壓器提供AC輸出信號(hào)，其幅度受輸出負(fù)載的限制。典型的輸出負(fù)載是全波整流器，可以處理20 V以上的AC輸入和輸入功率，受EH4295輸出的限制。

當(dāng)與EH4295耦合時(shí)，能量發(fā)生器源內(nèi)部阻抗和EH4295輸入阻抗形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，能量發(fā)生器源開(kāi)始向EH4295供電。一旦達(dá)到內(nèi)部振蕩閾值功率水平，振蕩開(kāi)始，并開(kāi)始能量傳遞。通常，EH4295的功率水平小于10μW，并且在不同型號(hào)和單位之間會(huì)有所不同。因此，EH4295非常適用于最低工作功率范圍非常低的高效率，低功耗應(yīng)用，以及使用其他方式無(wú)法捕獲和存儲(chǔ)在電池組或電容器存儲(chǔ)庫(kù)中的其他方式。

隨著輸入能量在能量發(fā)生器源處積聚，傳輸?shù)墓β柿恳蚕鄳?yīng)地發(fā)生變化。 EH4295的最大額定功率限制了其功率處理能力，但允許外部輔助DC-DC轉(zhuǎn)換器在更高的功率點(diǎn)接管。板載振蕩器產(chǎn)生的交流輸出使EH4295能夠支持其他開(kāi)關(guān)電路在更高的電壓和功率水平下進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

對(duì)于許多能量收集應(yīng)用，EH4295與EH300系列能量收集模塊相結(jié)合，在與低壓，低能量發(fā)電源一起使用時(shí)提供簡(jiǎn)單而有效的解決方案，該發(fā)電源僅提供零星的間歇輸入功率。組合的EH4295和EH300系列模塊可以從零輸出功率上升到可用水平，用于操作許多遠(yuǎn)程傳感器網(wǎng)絡(luò)和需要1.8 V至6.8 V范圍內(nèi)直流電源電壓的電路。升壓的AC或DC輸出電壓電平也可用于產(chǎn)生參考DC輸出，以驅(qū)動(dòng)或啟動(dòng)其他電子電路，例如需要超過(guò)1.0 V的DC電源電壓才能工作的外部升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器。

在工業(yè)照明系統(tǒng)中使用能量收集技術(shù)可以帶來(lái)顯著的好處。太陽(yáng)能可以驅(qū)動(dòng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)和傳感器，為“日光采集”提供基礎(chǔ)設(shè)施，協(xié)調(diào)和切換照明系統(tǒng)，以支持和提升自然采光。熱能還可用于為不需要時(shí)可關(guān)閉照明的傳感器節(jié)點(diǎn)供電，同樣降低功耗。這些技術(shù)可以降低運(yùn)行工業(yè)照明系統(tǒng)的成本以及實(shí)現(xiàn)和改進(jìn)這種控制系統(tǒng)的顯著成本。