什么是能量收集？

“能量收集?！?這個流行詞聽起來很簡單，但它實際上意味著什么？這種能量來自哪里，你如何“收獲”它？它對現(xiàn)實生活中的解決方案有用嗎？我該如何使用它？這些都是很好的問題，所以讓我們深入研究。

能量收集因過于復雜而聲名狼藉，但它可能非常簡單。Arduino 通過將其組件簡化到任何人都可以做到的程度，徹底改變了業(yè)余愛好電子產(chǎn)品。

能量收集具有同樣的潛力。

能量收集由兩個關鍵部分組成——一種能源和將這種能量轉(zhuǎn)化為有用能量（即電力）的東西。

能量收集可以采用汽車發(fā)動機的振動、體溫或附近手機信號塔的無線電波的形式。壓電模塊、熱電模塊和天線可以將這些能源轉(zhuǎn)化為電能。

來自太陽或人造光源的光能是環(huán)境中最豐富的能源之一。光伏創(chuàng)新的悠久歷史使得太陽能收集特別有用。

我能提供什么動力？

電子產(chǎn)品功率越來越低的趨勢推動了人們對能量收集的日益濃厚的興趣。蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的許多傳感器和無線設備都可以通過太陽能收集得到充分補充，從而不再需要電池或有線電源。

那么，哪些類型的傳感器和無線設備可以通過太陽能收集供電呢？

傳感器

這個問題的答案將取決于三個主要因素：環(huán)境的光照條件、設備本身以及設備的操作方式。

例如，如果我們有一個藍牙傳感器，我們可以根據(jù)環(huán)境的光照條件或多或少地更新。

在昏暗的室內(nèi)環(huán)境中，我們可能只有足夠的能量每隔幾分鐘更新一次。然而，在更明亮的環(huán)境中，我們可以每秒更新多次。在室外環(huán)境中，藍牙傳感器可以不斷更新。

如您所見，設備的運行方式會根據(jù)環(huán)境的光照條件而發(fā)生巨大變化。

一般來說，溫度和濕度等無源傳感器消耗的功率非常小，并且可以配置為在任何環(huán)境中運行。需要采樣的設備，例如慣性、力和聲學傳感器，會消耗更多的能量，并且可能需要更明亮的環(huán)境才能運行。相機、背光顯示器和燈是與戶外環(huán)境更兼容的高功耗設備的示例。

無線設備

無線設備的功耗取決于它運行的協(xié)議。好消息是，最常見的協(xié)議（例如藍牙、LoRa、RFID 和蜂窩變體）的功耗可能非常低。與傳感器類似，功耗主要受協(xié)議配置和操作方式的影響。

通常最關鍵的參數(shù)是數(shù)據(jù)速率。您的設備多久收集和傳輸一次數(shù)據(jù)？在許多情況下，這與平均功耗成正比。這意味著將數(shù)據(jù)速率從 1 秒提高到 2 秒可能會使總功耗減半。

同樣重要的是設備的睡眠電流。在傳輸之間，許多協(xié)議允許設備進入接近關閉狀態(tài)，僅消耗微安級或更少的電流。

最后，完成傳輸所需的功率和時間會因每種協(xié)議而異。藍牙設備需要不到 5ms 和 30mW 的時間來傳輸一個數(shù)據(jù)包。然而，蜂窩設備可能需要幾秒鐘的時間，并且需要超過 1W 的功率才能完成傳輸。

底線是大多數(shù)協(xié)議都可以配置為在任何環(huán)境中運行。

如何開始原型設計？

現(xiàn)在是時候深入了解具體細節(jié)了。太陽能收集聽起來很有用且應用廣泛，但有一個大問題。

我從哪說起呢？

如果可能的話，您應該從開發(fā)工具包開始。在原型制作過程中，擁有正確的工具至關重要。能量收集模塊和能量收集電路的制造商已盡一切可能將他們的技術集成到解決方案中。

原型制作過程可以分為三個簡單的步驟。

1） 識別設備、概念或想法。

2） 找到兼容的開發(fā)套件。

3）證明你的概念。

第一步有點不言自明。在閱讀了能量收集是什么以及它可以提供什么動力之后，您很可能已經(jīng)有幾個想法在您的腦海中浮現(xiàn)。讓我們繼續(xù)第 2 步。

查找兼容的開發(fā)套件

有許多現(xiàn)成的開發(fā)套件可供使用，它們可以為您完成繁重的工作并連接所有組件。它們具有從環(huán)境中提取能量、將其存儲在電池或存儲元件中并為設備供電的電路和大腦。

正確的套件將取決于您設備的電源要求和您的產(chǎn)品開發(fā)階段。

如果您已經(jīng)擁有設備或成品，查看其電源可以深入了解您需要哪個套件來滿足其電源要求（電壓和電流）。找到輸出與電池或輸入電壓相匹配的套件。

例如，許多套件提供 3V 或可調(diào)功率輸出，可直接替代 3V 鋰紐扣電池。同樣，許多套件都有內(nèi)置的鋰離子電池充電器，可以直接連接到已經(jīng)使用它們的設備上。

如果您是從零開始或只有一個概念，則可以使用結(jié)合了能量收集和無線傳感組件的開發(fā)套件，例如 PowerFilm 的BLE 室內(nèi)太陽能開發(fā)套件。

證明你的概念

最后一步是證明你的概念。將所有內(nèi)容放在一起并將其部署在環(huán)境中。理論計算可以提供粗略的估計，但查看您的系統(tǒng)是否工作的最準確方法是在現(xiàn)場進行測試。

對于能量收集應用，您試圖證明的基本概念是您的系統(tǒng)可以產(chǎn)生足夠的能量來維持自身或延長運行壽命。

隨著時間的推移跟蹤電池電量是確定設備功耗的一種方法。一旦您收集了現(xiàn)場數(shù)據(jù)，您就可以開始對您的設計進行明智的調(diào)整。

最好先查看設備，然后查看太陽能電池板，因為降低設備的功耗通常比收集更多的能量要容易得多。

要降低功耗，請嘗試降低數(shù)據(jù)速率并禁用未使用的功能。在最近的一個項目中，一個設備測量的睡眠電流高于預期。通過軟件梳理后，識別出一行代碼，開啟了日志功能。更改這一行代碼后，設備休眠電流從 200uA 下降到 2uA，整體功耗下降了近 100 倍。

在不先修改設備的情況下，需要一整臺太陽能，現(xiàn)在信用卡大小的太陽能電池板是理想的。

一旦您確信您已經(jīng)優(yōu)化了您的設備，您就可以查看太陽能解決方案。

改變尺寸、照明條件、安裝角度或面板方向可以提高室內(nèi)太陽能電池板的性能。然后根據(jù)需要進行迭代。進行調(diào)整、重新部署并收集更多數(shù)據(jù)，直到您對所看到的性能感到滿意為止。

下一步

一旦你有了概念證明，下一個合乎邏輯的步驟就是開始改進設計，讓它看起來更像最終產(chǎn)品。您可以繼續(xù)進行產(chǎn)品開發(fā)的下一階段，并最終推出產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷