一种基于电容池的多能源能量采集系统的制作方法

本发明属于无源感知的应用领域，具体涉及一种基于电容池的多能源能量采集系统。
背景技术：
：物联网为人类的生活带来便利，然而在已部署的大多数物联网中，电池依然被用作节点能源。大量电池的使用和周期性的替换，不仅使物联网运转背负巨大负担，还会严重污染我们赖以存活的生态环境。如果能够摆脱物联网对电池的依赖，利用环境能量为物联网节点供电，那么物联网的应用将更加广泛。自然界中的能量来源非常丰富。这些能源可能来自光能、运动能、机械能、热能以及无处不在的电磁能。光能储量最大且最易收集；机械能不受时间限制；利用温差带来的能量不受时间、地点和物体运动状态影响；随着通信网络的普及，手持无线通信设备、通信基站、广播电台分布广泛并且近乎24小时工作，电磁波能量收集技术在能量源上也拥有良好的空间分布性和时间稳定性。现有的能量收集技术都存在各自的缺点，光能受到使用时间和环境条件的限制，如在光照不足的连续阴雨天、野外夜里或地下环境中变得难以获取；机械能静止时难以收集；利用温差可以带来的能量，但由于大多数情况下环境中温差变化小，能量收集效率极低。技术实现要素：本发明的目的提供一种基于电容池的多能源能量采集系统，该系统通过电路模块把各类能量(电磁能量、光能、温差能量)转换为电能收集起来，在需要用到的电能的时候释放出来，就可以使原本会被浪费的能量有效利用起来，也很大程度的避免了能源的浪费，具有弥补单一能量源收集能量，收集效率有限的特点，并能够保证低功耗物联网设备的稳定使用。该系统包括：电磁能收集电路，采用射频能量收集源对射频信号进行射频能量收集，将环境周围的电磁能量转换为电能供负载工作并将多余的能量存储起来；光能收集电路，采用太阳能电池板对光能进行能量收集，并将光能转换为电能；温差能量收集电路，通过热电能量转换将温度梯度与热流转换成电能；多元能量收集电路，通过电容池对光能收集电路及温差能量收集电路收集的能量进行多元能量收集；其中，所述射频能量收集源的结构包括6个电路模块，全向接收天线电路，阻抗匹配电路，倍压电路，整流电路，稳压电路及储能电路；所述倍压电路的构建包括五个肖特基二极管hsm-285c，4个10pf电容和5个7pf电容。其中，所述光能收集电路使用普通太阳能电池板连接至电路。其中，所述温差能量收集电路采用温差发电片连接至电路。其中，所述多元能量收集电路，包括3个超级电容，分别并联电磁能收集电路、光能收集电路以及温差能量收集电路，由同轴电缆接收电磁能收集电路的射频信号，将光能收集电路的太阳能电池板接收的光能及温差能量收集电路的热电材料产生的温差能，经过阻抗匹配电路以及7级放大电路后将能量储存到所述3个超级电容中。与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：通过电路模块把各类能量(电磁能量、光能、温差能量)转换为电能收集起来，在需要用到的电能的时候释放出来，就可以使原本会被浪费的能量有效利用起来，也很大程度的避免了能源的浪费，具有弥补单一能量源收集能量，收集效率有限的特点，并能够保证低功耗物联网设备的稳定使用。附图说明图1阻抗匹配电路；图2整流电路；图3五级倍压电路；图4超级电容充电时间；图5电磁能收集电路；图6太阳能电池板发电原理；图7宽频能量收集电路；图8温差发电片原理图；图9多元能量收集电路图；图10多能源收集系统测试能量收集实验曲线图；图11多能源收集系统测试能量逸散实验曲线图。具体实施方式下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。如图5所示，电磁能收集电路，采用射频能量收集源对射频信号进行射频能量收集，将环境周围的电磁能量转换为电能供负载工作并将多余的能量存储起来；所述射频能量收集源的结构包括6个电路模块，全向接收天线电路，阻抗匹配电路，倍压电路，整流电路，稳压电路及储能电路；全向接收天线电路：接收天线直接与电磁波信号(可选取常用路由器发射的wifi信号和商用sx1276lora节点)进行接触，由电磁场与电磁波相关知识可知，天线在无线环境中遇到电磁波信号后，会产生高频电流，并传送给后级电路。阻抗匹配电路：天线接收到的电磁能量若要避免谐波损耗，使其尽可能多的传输到倍压整流电路中，为了能更大限度的收集电磁波能量，我们构建单天线多频段阻抗匹配网络，由单个宽带天线实现宽频带的能量收集，多个频段的阻抗匹配网络均用于瞄准特定频率范围；阻抗匹配电路包括两个电感和两个电容。阻抗匹配具体电路图见图1，宽频能量收集见图7。整流电路：由天线获得的高频电流，通过阻抗匹配网络滤除谐波后，经整流电路输出直流电流，有文献设计的交叉耦合rf-dc整流器，转换效率达62％。本文尝试使用本科阶段所学的桥式整流电路，对高频电流进行整流。具体电路图见图2。倍压电路：通过整流得到的电压过低，于是需要通过倍压电路得到较高的输出电压，使负载能够正常工作，通常倍压电路使用耐压较高的电容器和二极管，构建杰克逊五级倍压电路，将通过天线收集到的射频信号整流为直流电压，同时实现五级倍压放大的作用，所述倍压电路的构建包括五个肖特基二极管hsm-285c，4个10pf电容和5个7pf电容。具体电路图见图3。稳压电路：稳压可以直接由稳压二极管实现，输出稳定的直流电压；储能/输出电路：通过整流倍压电路和稳压电路输出的电流具有高电能高电压等特点，可以直接连接低功耗电子产品或低功耗器件进行使用，同时给电路设计储能部分，用超级电容可以存储多余的电能，以备不时之需。普通电容可以充放电荷，优点是廉价、外形选择性高、可以存储比较高的电压能量，但是缺点是能量密度低和能量损耗大。超级电容具有高能量密度、高充电电容、较短的充电时间和寿命长的优点，相比于普通电容缺点是最大电压比较低，而且价格稍贵。超级电容充电电压和充电时间的关系见图4，可见超级电容的充电时间短，适合作为储能元件。光能收集电路，采用太阳能电池板对光能进行能量收集，并将光能转换为电能；所述光能收集电路使用普通太阳能电池板连接至电路，采用太阳能电池板对光能进行能量收集，将光能转换为电能，太阳能发电的特点与二极管发电的特点基本上是差不多的，太阳能电池板发电原理见图6。温差能量收集电路，通过热电能量转换将温度梯度与热流转换成电能；所述温差能量收集电路采用温差发电片连接至电路。其中，涉及的发电理论有：热点效应：热电材料两端具有温差时，产生的效应就叫做热电效应。热电效应使热电材料两端产生电压，将温差转换为电能。基本原理：温差发电主要是温差发电片利用半导体材料的塞贝克效应将温差转换成电能。温差发电原理见图8所示。如图9所示，多元能量收集电路，通过电容池对光能收集电路及温差能量收集电路收集的能量进行多元能量收集；所述多元能量收集电路，包括3个超级电容，分别并联电磁能收集电路、光能收集电路以及温差能量收集电路，由同轴电缆接收电磁能收集电路的射频信号，将光能收集电路的太阳能电池板接收的光能及温差能量收集电路的热电材料产生的温差能，经过阻抗匹配电路以及7级放大电路后将能量储存到所述3个超级电容中。实验效果：发明人尝从以下三个方面去评估本实例给出的基于电容池的多能源能量采集系统：1.在太阳能充电和电容电压的时间关系当前实验统计能量采集系统凭借太阳能充电至3.3v所需的时间，分别采用户外环境(太阳能)和室内环境(led光中采集)。如表1所示，多能源收集系统的太阳能收集模块，在室内和室外环境下分别需22'30分钟和19'13分钟即可从1.5v充电至3.3v。表1太阳能充能实验数据统计表1.9v2.1v2.3v2.5v2.7v3.3v灯光12’2615’2318’0820’3221’3022'30自然光10’4113’2116’0118’0218'5619’132、在射频能充电和电容电压的时间关系当前实验统计能量采集系统凭借电磁波能充电至0.7v所需的时间，分别采用wifi和rfid采集。如表2所示，多能源收集系统的太阳能收集模块，在wifi和rfid环境下分别需122'32分钟和108'53分钟即可从1.5v充电至3.3v。因为实验环境中存在着不可控制的gsm信号，4g信号，因此存在一定的实验误差。表2射频充能实验数据统计表0.2v0.3v0.4v0.5v0.6v0.7vwifi22’3040’3268’0885’23102’26122'32rfid19’1338’0266’0173’21104’41108'533、温差发电片充电和电容电压的时间关系利用温差发电片冷端和热端的温度差来给电容充电，当前实验统计能量采集系统凭借温差能充电至1.5v所需的时间，选取sp1848-27145sa制冷片做为发电源。将近冷端面向空气，近热端贴紧plora系统的芯片，利用fpga芯片工作的热量和空气的温差产生电能，对系统进行供电。如表3所示，多能源收集系统的温差能收集模块，温差20度：开路电压0.97v,发电电流：225ma，温差20℃：开路电压1.8v,发电电流：368ma，温差36℃。因为实验环境大气的温度一年四季差距较大，因此在冬天比夏天更适合依靠温差发电。表3射频充能实验数据统计表0.2v0.5v0.9v1.3v1.6v1.8v温差10℃16℃20℃26℃31℃36℃4、多能源收集系统测试本实验统计在太阳能和射频能的同时作用下，系统对能量收集的效率，实验过程证明了在能量收集的过程中还存在着能量逸散，会对能量收集的效率有所影响，降低能量收集的效率。关于提高效率的方法有以下几种：1.进行阻抗匹配2.选择合适的超级电容3.选择转换效率高的压电陶瓷、太阳能板4.在放大电路后设置电容，通交阻直，防止漏电我们通过多次重复收集wifi能量和太阳能后，用万用表测量超级电容的平均电压是3.3v，并将能量收集模块应用到plora系统上，对系统供电让节点工作，多能源能量收集系统可以成功使plora系统反向散射到距离300米远的网关的数据包总数，直到plora节点消耗能量并进入充电状态。每个分组包含33个有效载荷符号，当标签完全充电(3.3v)时，plora标签可以反向散射69个数据包，实验结果见图10能量收集实验曲线图和图11能量逸散实验曲线图。由上述实验统计，在多能源收集系统工作下，系统可以工作3秒，发送69个数据包，于是我们分别通过使用太阳能收集模块、射频能量收集模块和温差能收集模块进行能量收集，并将能量收集模块应用到plora系统上，对系统供电让节点工作，发现单一能量收集模块同样可以使节点工作，但工作能力有限，在接收端我们用网关计数收到节点使用各个模块的能量收集系统后所发处的数据个数，统计数据如表5。表5多种能源的系统工作时长太阳能模块射频能模块温差能模块多能源收集系统工作时长/s1.60.41.03发包数/个3792369为了验证多能源能量收集系统的工作稳定性，我们在不同环境下对比单能量模块收集和多能量收集系统的效果，在室内、室外环境下，在白天、夜晚环境下，在距离基站远近的环境下，分别测量系统的工作时长，统计数据如表6-8。表6在室内/室外环境中多种能源的系统工作时长表7在室内/室外环境中多种能源的系统工作时长表8在距离基站远近环境下多种能源的系统工作时长结果分析：通过对实验结果分析，本发明所介绍的电磁波能量收集系统可以成功地给超级电容充能，并让tag节点持续工作3秒左右。同时我们可以得出单独一个天线收集能量所需时间太久，若同时用两个系统给电容充电，那么充电时间可以减少一半,若采用我们的单天线多频段能量收集系统，充电时间可以大大减少，实验数据也证明了单独的电磁能量收集速度缓慢，同时收集太阳能可以有效改善电磁波能量收集慢的现象。而且同时使用两种充能方式会产生对储能元件资源竞争，为了避免这种异质能源的竞争，我们采用分布式电容组来收集多元能量，以避免能量的损失。同时，在不同环境下的实验表明，室内和室外环境主要影响太阳能模块和温差能模块的工作效率。白天和夜晚(阴天)主要影响太阳能模块和温差能模块的工作效率。距离基站远近主要影响射频能模块的工作效率。当前第1页1 2 3