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迈向无电池物联网世界

时间:2022-01-20 09:36:29 作者: Nordic Semiconductor蜂窝物联网技术营销经理Martin Lesund 阅读:
数十亿无线物联网传感器将会连接起明日的世界。网络设备提供商思科(Cisco)表示,在短短十年间,这个数字可能会超过500亿。其中,许多物联网传感器使用电池供电。除了维护问题之外,还存在着更换电池的问题,即便每个电池可以使用十年之久......
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采用能量收集方案,可以减少物联网传感器中不断更换的电池的使用,从而为维护工程师和子孙后代带来裨益。

数十亿无线物联网传感器将会连接起明日的世界。网络设备提供商思科(Cisco)表示,在短短十年间,这个数字可能会超过500亿。其中,许多物联网传感器使用电池供电。除了维护问题之外,还存在着更换电池的问题,即便每个电池可以使用十年之久,全球各地的技术人员仍将面临着每天更换数百万个电池的挑战。在追求实现可持续发展的世界中,这些电池带来了严重的问题。

业界必须开采锂等特殊材料进行电池制造,然后分销运送到世界各地,而后则是安全处理废弃电池的重要问题。

为了应对这项挑战,未来的无线传感器将需要从环境中汲取能量,采用智能芯片来节俭地管理功率预算,从而确保这些短距离或蜂窝物联网连接操作,可充分利用每一微瓦电能。

太阳

目前,光伏(PV)电池(或“太阳能电池板”)是能量收集的最佳选择。因为与其他典型的能量收集选项相比,它们可以达到最高的功率密度和输出。能量来源是以1100 W/m² 平均功率普照大地的太阳,而太阳能电池板利用光伏效应将这些光子转化为电能。

小规模能量收集的商用光伏面板大多数都是使用非晶态硅制造的。它们在光线较暗条件下(例如室内环境)的工作效能优于建筑物屋顶上常见的晶体太阳能面板。理论上,这类小型非晶硅面板最多可以将33%的入射阳光转化为电能。

控制可变性

然而,在一天的大部分时间里,太阳都不在天空上。即使在白天,在无云夏日和阴冷冬天之间的太阳辐射能量差异巨大。根据纬度、云层变化,可能导致太阳能输出减少多达75%。

为了应对这些变化,现今的太阳能设计通常包括一个储能器,例如可充电锂聚合物电池或超级电容器。传感器直接从储能器中获取电力,从而确保清洁的不间断电力供应,而能量收集器则不断为储能器加满电能。当然,这种方法需要制造和可充电电池或超级电容器。尽管如此,能量收集延长了电池的使用寿命以配合传感器的使用寿命,从而消除了不断更换电池的操作,并减少了对环境的影响。

专为能量收集而设计

即便使用能量储存器,在确保高传感器可用性的同时,管理收集到的能量也并非易事。这需要专为能量收集设备,定制化的电源管理IC (PMIC)。PMIC用于实现稳定的可持续能源。在推动能量收集物联网应用,变得切实可行方面,发挥着重要的作用。

不过,能量收集实施方案可能会对应用设备的占空比有所限制,用户在设计阶段必须仔细考虑这些限制要求。幸运的是,Nordic产品本身具有灵活性,可以简化在占空比、吞吐量和电池寿命之间进行折衷权衡的定制工作。

实现可持续发展的未来

现今的能量收集和电池组合是实现可持续发展物联网的良好开端,并且已经进入商业产品。通过持续发展,可以实现完全无电池的物联网设备。

例如,使用三层或四层不同半导体组成的多层太阳能电池板来吸收更多的阳光,有望将接近50%的入射阳光转化为电能。

综合以上,能量收集将会成为可持续发展物联网的重要推动者,这对于全世界的维修技术人员和地球的后代都是绝好消息。

责编:Amy.wu
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