原创 从光照、振动中获取能量的采集器

　　从光源或振动源获得环境能量的方法可以使低功耗设计免除传统电力线和电池的束缚。

　　要 点
　　·小型太阳能板是最常见的能量采集器；
　　·今后，使用压电技术和热梯度技术将更普遍；
　　·只有极低功耗的系统才能依靠采集的能量得以生存。　

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　　很多系统如小型无线连网传感器节点和消费市场上的低成本计算器对电源有严格限制，这涉及到远程位置、成本考虑、便携程度的需求以及其他因素。另外，转向无线通信的大趋势淘汰了系统中很多有线电缆，因而设计师希望能使系 统脱离电源线和充电器的束缚，而采用能量采集器（Energy harvester）。这种小型装置可将大多数工作环境中的能量转化为适宜的电能。最常用的能量采集器是小型太阳能电池，或将机械振动转化为电能的电磁装置。

　　在靠近电力线的环境中也有能量采集器的用武之地，如工厂车间。Perpetuum 公司是一家能量采集器供应商，它的 CEO  Roy Freeland 指出：在连网的机器监控应用中，初始安装费用在总系统费用中占据相当大的比例。“将工厂的电源以及连接到传感器和发射器上的费用相当于监控设备总安装费用的 80%。”与之相比，安装带有磁性夹的内含式电源装置，人们只需走到某台机器前，然后将该装置扣闩在一定位置上即可。

　　当然，电池也可以使系统免除电源线的麻烦，但由于成本的原因限制了系统的工作寿命。在两年使用期以后，振动能量采集器便能优于锂电池（图 1，参考文献 1）。如果你的设备寿命在10年以上，则振动能源或太阳能能源就要好于任何电池技术。在系统整个生命周期的拥有成本中，劳动力成本也会增添一种起抑制使用作用的额外费用，因此最好能免除更换电池的工作。

　　从不利的一面来看，依赖于采集能量的系统其功耗必须尽量低。无线传感器制造商 EnOcean 公司产品系列经理 Wolfgang Heller  警告说，不能脱离电源来设计无线传感器网络。“我们与很多客户讨论过这个问题，他们有自己的无线电设备，只打算购买能量采集器。结果是，他们自己的无线电设备功耗要比我们设计的大上 100倍或1000倍。可见，小型能量采集器并不能用于所有无线电设备。”

　　EnOcean 公司生产的网络结点可以从几种能量采集器获得能源，包括光开关致动器、直线运动变换器、机械振动、热梯度，以及阳光。EnOcean 公司的 PTM 200 光开关致动器整合有一个由磁铁和线圈构成的继电器，当切换开关使灯出现明灭变化时，就会改变线圈中的通量，产生一个电压（图 2）。该开关模块能将开、关指令以无线方式传送给室内的照明器具，在智能建筑中很有用（参考文献 2）。它也可以大大降低建筑中的接线工作费用。如果室内灯光都处于一个局域无线网络中，就不需要电工去安装了。热梯度发电装置是那些在生产过程中产生热量的工业场合使用的候选装置。热能采集装置在六个月内即可进入商业应用。

甩掉电网

　　EnOcean 公司还制造一种太阳能供电的 STM100 网络结点（图 3）。该种模块的太阳能电池分为两个部分，一部分比另一部分要大。较小的部分是为一个小型电容器充电，它在快速起动/苏醒模式下为传感器和 RF 电路供电。较大的部分则为一只超级电容器充电，在黑暗的时间段里为系统供电。Heller 称：“如果我们只有一个太阳能电池，则它可能要花几个小时才能开始供电，因为超级电容器需要很多时间才能达到所需电压电平。因此，我们用小部分太阳能电池为快速起动模式供电，那么我们就能实现在黑暗环境下数天的运行。”

　　EnOcean 的太阳能供电模块采用了一种多晶硅太阳能电池。多晶硅电池将太阳能转换为电能的效率为 11%～16%，无电力网地区的民用和工业用太阳能板系统是人们很熟悉的装置。另一种常见的太阳能电池是非晶硅电池，但它的效率只有多晶硅的一半（8%）。除了转换效率低的缺点以外，在阳光直射下非晶硅电池的转换效率每年还要衰减 15% ～ 35%。尽管有这些明显的缺点，但非晶硅的应用仍很普遍，因为它们的成本要比多晶硅低一个数量级，这对大批量消费电子来说，是一个显著优势。例如，一块典型的55mm×11mm 多晶硅电池价格为 3 美元，而同样一块非晶硅电池只有不到 25 美分。采用非晶硅电池供电的常见电子设备是太阳能计算器，如德州仪器公司生产的产品。

　　Russ Rosenquist 是德州仪器公司计算器产品高级设计师，他把太阳能电池的选择细分为两个部分，一部分是在计算与显示所需的基础上要求为系统提供多大能量，另一部分是在预期工作环境中需要多大尺寸的太阳能电池才能产生这些能量。计算器的典型应用环境有两种，一种是使用荧光灯的教室，一种是使用较暗白炽灯的旅店房间。Rosenquist 说：“我们努力设计出能在现有光线最暗的工作场所或学校中使用的计算器。这 里有个限制：在某些地方人们可以看到计算器的显示，但其光照却不足以提供产品足够的工作能量。我们一般把光照低限设计为 50lux~ 75 lux。此时，你能看到漂亮的房间，而不至于黑得看不见室内的东西。这是我们采用大小适合我们的计算器占位面积的无晶硅板所能获得的最低限度的光照。”另一种光照基准是希望在光照良好的环境中实现，在美国，大多数教室的光照等级是 200lux ~ 500 lux。他说：“教室是光照良好的环境。”除了成本较低以外，非晶硅电池的另一个优点是，在荧光灯和白炽灯照明下，非晶硅电池的效率高于多晶硅电池。Rosenquist 称非晶硅电池对不同波长光线的响应是不同的，“从 50 lux 白炽灯获得的能量要多于 50 lux 荧光灯，大约多 25%。”

　　Rosenquist 还解释说，用户有时有可能会在强烈阳光下使用计算器。在普通室内光线下，太阳能电池产生的电压不到 1.5V，而在强烈阳光下，产生的电压会高于 2V。他说：“我们用一支 LED 与电池并联，这样，在强烈光照下，LED 可以吸收大量额外电流，将电压保持在 1.5V。”LED 因而成了一种简单而廉价的电压箝位装置。

　　随着越来越多的设计工程师采用能量采集器作为电源，设计低耗能系统就成为与选择能源同等重要的事情（见附文“太阳能计算器为低功耗设计提供指南”）。（关于极低功耗系统设计的问题，请参见参考文献 3。）

振动是好事

　　并非所有运行环境中都有可靠而稳定的光照。例如，机器监控的传感器就可能没有可靠的光照，但却有充足的振动能量。振动能量采集器可以是机电式或压电式的，机电式采集器较常见。Perpetuum 公司的 Freeland 称，该公司最初曾致力于压电技术，但最终发现，以机器和建筑的振动幅度与频率，压电技术无法产生足够的能量。于是，Perpetuum 转向机电式的，包括线圈、磁铁和谐振梁，设计出一种能从不费力的现有振动中产生足够电量的发电机。“一般的机器都存在振动，甚至包括家用冰箱：欧洲的振动为 50 Hz，美国是 60 Hz，或 100Hz ~ 120Hz。在这些频率下如果有 0.5g ~ 0.1g振动，就足以为电子电路提供能量。”该模块包括一个能量调节电路，它能从发电机的初级交流电能提供稳定的 3V 或 3.3V 直流。电流大小要看振动的强度，但一般普通机器可以产生 1mW ~ 3 mW 的电能。

　　Freeland 描述了一个 Perpetuum 的客户所设计的无线传感器系统。“该装置有一个温度传感器和一个湿度传感器，每秒钟传送两次数据。一般情况下，发射机需要约 30 mW 能量，但该装置的发送只几十毫秒，电路中的一只电容器平时在充电，用于驱动发送时则放电，发送对能耗的要求最大。”Perpetuum 的发电机价格为 30 美元（批量）。

　　Ferro Solutions公司 也在制造振动发电机。该公司最初的产品采用机电技术，但最近转用专利的压电技术，该技术可放大压电折弯（一条弹性的压电材料）磁致伸缩元件的信号，它会根据磁场而改变形状。价格约为 30 美元。

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附文:太阳能计算器为低功耗设计提供指南

　　太阳能计算器已经面世 30 多年了，它们为依靠采集的能量而工作的超低功耗便携装置提供了出色的设计范例。Russ Rosenquist 是德州仪器公司计算器产品的高级设计师，他为有功耗限制的处理器系统设计提供了如下建议：

　　* 使用具有甚长指令字的处理器。“最关键的是要在每个时钟周期内做尽可能多的事。并行通道结合甚长指令字，可以在一个时钟周期内完成更多工作。”

　　* 使用低泄漏的工艺技术，这样每个时钟周期消耗的能量最小。

　　* “扩展处理器内的时钟门限。当一个指令没有用到芯片部分时，关掉这个局部的时钟信号，这样就可避免芯片那部分中的结点作不必要的触发。”

　　* 为数学计算密集的系统选择正确的架构。计算可以采用十六进制-十进制的纯二进制形式，或者采用 BCD（二进制编码的十进制）。BCD 在计算周期中的效率较高，因而能量效率也较高。

　　* 同时使用时钟周期的上升沿和下降沿。“今天的设计工具强调使用同步设计技术，即只使用时钟的上升沿。但在计算器设计中，如果你可以利用下降沿，就一定要用上它。”要致力于用最小的时钟周期数目完成计算工作。“一旦做到这点，就可以使处理器运行在较低频率上，仍能在容许的时间段内获得计算结果。”

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参考文献

　　1. Roundy, Shad, Paul K Wright, and Jan Rabaey, "A study of low-level vibrations as a power source for wireless sensor networks," Computer Communication s, 2003, http://psdam.mit.edu/2_76/critique/Pool1/110-vibration%20power%20source1.pdf.
　　2. Webb, Warren, "Thinking inside the box: Buildings get a brain," EDN, July 21, 2005, pg 48.
　　3. Conner, Margery, "Run for your life: ultralow-power systems designed for the long haul," EDN, May 26, 2005, pg 46.
更多信息请浏览
EnOcean
www.enocean.com

Ferro Solutions
www.ferrosi.com

Perpetuum
www.perpetuum.co.uk

Sanyo
www.sanyo.com/industrial/solar

Texas Instruments
www.ti.com