能量收集使用自然產(chǎn)生的能量來擴(kuò)展可用功率，使其超出有限能源（例如電池）可以提供的限制。這種方法提高了能源的整體效率，延長了充電間隔時間，并提高了不可靠的可再生能源的設(shè)備性能。向更可持續(xù)的解決方案邁進(jìn)，促使設(shè)計(jì)工程師超越這些有限的能源，轉(zhuǎn)向完全可再生的解決方案：太陽能電池。也稱為光伏 (PV) 電池，這些設(shè)備通過光伏效應(yīng)一步將太陽的輻射能轉(zhuǎn)化為可用的電能。這種效應(yīng)接觸帶正電和帶負(fù)電的硅以產(chǎn)生電場。

這些獨(dú)立的微型發(fā)電機(jī)專門為本地負(fù)載供電，以減少對電網(wǎng)系統(tǒng)的需求，同時也減少業(yè)主的水電費(fèi)。太陽能電池的應(yīng)用包括“離網(wǎng)”家庭和較小的負(fù)載，例如路邊電子標(biāo)牌和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（包括傳感器和執(zhí)行器），它們可以遠(yuǎn)程安裝和無線連接。由于太陽能電池的能源是免費(fèi)的，這種能源的理想狀態(tài)是“安裝即忘”，將太陽作為一個無限的能源庫。然而，工程師必須克服幾個挑戰(zhàn)才能在物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)這種方法。

最直接的挑戰(zhàn)是能源能否平衡各種使用條件下的需求。短程和遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)傳感器平均需要 7 到 16.4uA的能量。設(shè)計(jì)工程師針對給定的能源優(yōu)化 PV 電池，并添加電容器以減少對輔助電源或完全橋暗期的依賴。電容器又被優(yōu)化以最小化泄漏電流。并且設(shè)計(jì)還需要一個傳感器接口來采樣數(shù)據(jù)、存儲和傳輸信息。

幸運(yùn)的是，創(chuàng)新的產(chǎn)品解決方案和對挑戰(zhàn)細(xì)節(jié)的基本了解可以解決這些問題。

克服挑戰(zhàn)

DC-DC 轉(zhuǎn)換器從光伏陣列接收電力，并產(chǎn)生可用于為小型太陽能微型發(fā)電機(jī)中的設(shè)備供電的電力。兩個關(guān)鍵性能指標(biāo)是高能效和電能質(zhì)量。這些指標(biāo)是必不可少的，因?yàn)橛脩粝Ｍ⌒驮O(shè)備能夠提供一致的性能。然而，提供給光伏電池的太陽能的可變性給自持光伏物聯(lián)網(wǎng)傳感器帶來了三個主要挑戰(zhàn)：

光伏輻射輸入能量不足

通過電容器有限的存儲和驅(qū)動能力

通過傳感器采樣、數(shù)據(jù)存儲或傳輸設(shè)備過于頻繁地出現(xiàn)過大的峰值電流

其他挑戰(zhàn)包括溫度限制、不合適的電壓、轉(zhuǎn)換損耗、錯誤時間的能量放電以及傳感器的老化/退化。由于存在這些低效和損耗，電源不穩(wěn)定并且可能包含下垂或紋波。

此外，太陽能僅在一天中的部分時間供應(yīng)，并以不同的強(qiáng)度進(jìn)入光伏電池。這些不一致進(jìn)一步降低了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能質(zhì)量。低輸入能量或持續(xù)輸入能量加上有限的存儲和過大的峰值電流帶來的挑戰(zhàn)需要備用解決方案來平衡能量負(fù)載。

集成能量收集存儲解決方案

光伏能量收集器可以使用先進(jìn)的超級電容器（如Hybrid Storage 196 HVC ENYCAP ?電容器）提供這種關(guān)鍵的備用/增強(qiáng)電源。ENYCAP 是一種混合存儲設(shè)備，這意味著它可以存儲可以提供備用電源的靜電和電化學(xué)能量。ENYCAP 具有從單節(jié)電池 1.4V 到多節(jié)電池 8.4V 的強(qiáng)大電壓靈活性，可提供徑向（堆疊通孔）、平面貼裝或平放方向。

它采用高電容極化并提供 13Ws/g 的高能量密度以最大限度地減少封裝空間。該電容器還可在 85°C 下運(yùn)行長達(dá) 1000 小時，無需維護(hù)或維修。此外，196 HVC ENYCAP 不需要電池平衡，與傳統(tǒng)超級電容器相比具有節(jié)省時間的優(yōu)勢，并且它包含無害電解液。與現(xiàn)有的市場超級電容器相比，它還表現(xiàn)出較低的自放電。

196 HVC ENYCAP 不僅僅是一款適合能量收集的傳統(tǒng)電容器。它是一種混合儲能電容器，是小型系統(tǒng)、內(nèi)存控制器、SRAM/DRAM、高速緩存保護(hù)、工業(yè) PC/控制、應(yīng)急燈和微型 UPS 電源等應(yīng)用的備用系統(tǒng)。

在上述物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用中，ENYCAP 可以提供高達(dá) 2mA 的收集功率和超低泄漏。此性能水平可最大限度地減少反向電流以提高性能和效率。

結(jié)論

鑒于可再生太陽能在消費(fèi)電子和工業(yè)電子產(chǎn)品中的市場份額不斷增長，設(shè)備制造商必須確保其產(chǎn)品始終如一地提供高性能。此外，設(shè)計(jì)人員需要考慮可再生能源的可變性及其免費(fèi)、近乎無限供應(yīng)的主要優(yōu)勢。結(jié)合 Vishay 196 HVC ENYCAP 混合存儲電容器等能量收集使能器，可提供高性能混合存儲解決方案和太陽能電池備份。

作者

Adam Kimmel 作為執(zhí)業(yè)工程師、研發(fā)經(jīng)理和工程內(nèi)容撰寫人擁有近 20 年的經(jīng)驗(yàn)。他在垂直市場（包括汽車、工業(yè)/制造、技術(shù)和電子）中創(chuàng)建白皮書、網(wǎng)站副本、案例研究和博客文章。Adam 擁有化學(xué)和機(jī)械工程學(xué)位，是工程和技術(shù)內(nèi)容寫作公司 ASK Consulting Solutions, LLC 的創(chuàng)始人和負(fù)責(zé)人。

審核編輯黃昊宇