太阳能收集原型 对现实生活中的作用

什么是能量收集？

“能量收集。” 这个流行词听起来很简单，但它实际上意味着什么？这种能量来自哪里，你如何“收获”它？它对现实生活中的解决方案有用吗？我该如何使用它？这些都是很好的问题，所以让我们深入研究。

能量收集因过于复杂而声名狼藉，但它可能非常简单。Arduino 通过将其组件简化到任何人都可以做到的程度，彻底改变了业余爱好电子产品。

能量收集具有同样的潜力。

能量收集由两个关键部分组成——一种能源和将这种能量转化为有用能量（即电力）的东西。

能量收集可以采用汽车发动机的振动、体温或附近手机信号塔的无线电波的形式。压电模块、热电模块和天线可以将这些能源转化为电能。

来自太阳或人造光源的光能是环境中最丰富的能源之一。光伏创新的悠久历史使得太阳能收集特别有用。

我能提供什么动力？

电子产品功率越来越低的趋势推动了人们对能量收集的日益浓厚的兴趣。蓬勃发展的物联网行业的许多传感器和无线设备都可以通过太阳能收集得到充分补充，从而不再需要电池或有线电源。

那么，哪些类型的传感器和无线设备可以通过太阳能收集供电呢？

传感器

这个问题的答案将取决于三个主要因素：环境的光照条件、设备本身以及设备的操作方式。

例如，如果我们有一个蓝牙传感器，我们可以根据环境的光照条件或多或少地更新。

在昏暗的室内环境中，我们可能只有足够的能量每隔几分钟更新一次。然而，在更明亮的环境中，我们可以每秒更新多次。在室外环境中，蓝牙传感器可以不断更新。

如您所见，设备的运行方式会根据环境的光照条件而发生巨大变化。

一般来说，温度和湿度等无源传感器消耗的功率非常小，并且可以配置为在任何环境中运行。需要采样的设备，例如惯性、力和声学传感器，会消耗更多的能量，并且可能需要更明亮的环境才能运行。相机、背光显示器和灯是与户外环境更兼容的高功耗设备的示例。

无线设备

无线设备的功耗取决于它运行的协议。好消息是，最常见的协议（例如蓝牙、LoRa、RFID 和蜂窝变体）的功耗可能非常低。与传感器类似，功耗主要受协议配置和操作方式的影响。

通常最关键的参数是数据速率。您的设备多久收集和传输一次数据？在许多情况下，这与平均功耗成正比。这意味着将数据速率从 1 秒提高到 2 秒可能会使总功耗减半。

同样重要的是设备的睡眠电流。在传输之间，许多协议允许设备进入接近关闭状态，仅消耗微安级或更少的电流。

最后，完成传输所需的功率和时间会因每种协议而异。蓝牙设备需要不到 5ms 和 30mW 的时间来传输一个数据包。然而，蜂窝设备可能需要几秒钟的时间，并且需要超过 1W 的功率才能完成传输。

底线是大多数协议都可以配置为在任何环境中运行。

如何开始原型设计？

现在是时候深入了解具体细节了。太阳能收集听起来很有用且应用广泛，但有一个大问题。

我从哪说起呢？

如果可能的话，您应该从开发工具包开始。在原型制作过程中，拥有正确的工具至关重要。能量收集模块和能量收集电路的制造商已尽一切可能将他们的技术集成到解决方案中。

原型制作过程可以分为三个简单的步骤。

1） 识别设备、概念或想法。

2） 找到兼容的开发套件。

3）证明你的概念。

第一步有点不言自明。在阅读了能量收集是什么以及它可以提供什么动力之后，您很可能已经有几个想法在您的脑海中浮现。让我们继续第 2 步。

查找兼容的开发套件

有许多现成的开发套件可供使用，它们可以为您完成繁重的工作并连接所有组件。它们具有从环境中提取能量、将其存储在电池或存储元件中并为设备供电的电路和大脑。

正确的套件将取决于您设备的电源要求和您的产品开发阶段。

如果您已经拥有设备或成品，查看其电源可以深入了解您需要哪个套件来满足其电源要求（电压和电流）。找到输出与电池或输入电压相匹配的套件。

例如，许多套件提供 3V 或可调功率输出，可直接替代 3V 锂纽扣电池。同样，许多套件都有内置的锂离子电池充电器，可以直接连接到已经使用它们的设备上。

如果您是从零开始或只有一个概念，则可以使用结合了能量收集和无线传感组件的开发套件，例如 PowerFilm 的BLE 室内太阳能开发套件。

证明你的概念

最后一步是证明你的概念。将所有内容放在一起并将其部署在环境中。理论计算可以提供粗略的估计，但查看您的系统是否工作的最准确方法是在现场进行测试。

对于能量收集应用，您试图证明的基本概念是您的系统可以产生足够的能量来维持自身或延长运行寿命。

随着时间的推移跟踪电池电量是确定设备功耗的一种方法。一旦您收集了现场数据，您就可以开始对您的设计进行明智的调整。

最好先查看设备，然后查看太阳能电池板，因为降低设备的功耗通常比收集更多的能量要容易得多。

要降低功耗，请尝试降低数据速率并禁用未使用的功能。在最近的一个项目中，一个设备测量的睡眠电流高于预期。通过软件梳理后，识别出一行代码，开启了日志功能。更改这一行代码后，设备休眠电流从 200uA 下降到 2uA，整体功耗下降了近 100 倍。

在不先修改设备的情况下，需要一整台太阳能，现在信用卡大小的太阳能电池板是理想的。

一旦您确信您已经优化了您的设备，您就可以查看太阳能解决方案。

改变尺寸、照明条件、安装角度或面板方向可以提高室内太阳能电池板的性能。然后根据需要进行迭代。进行调整、重新部署并收集更多数据，直到您对所看到的性能感到满意为止。

下一步

一旦你有了概念证明，下一个合乎逻辑的步骤就是开始改进设计，让它看起来更像最终产品。您可以继续进行产品开发的下一阶段，并最终推出产品。

审核编辑：郭婷