使用太阳能收集进行原型设计

什么是能量收集？

“能量收集。这个流行词听起来很直白，但它到底是什么意思呢？这种能量从何而来，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一下。

能量收集因过于复杂而臭名昭著，但它可能非常简单。Arduino通过简化其组件来彻底改变业余爱好电子产品，使其达到任何人都可以做到的程度。

能量收集具有相同的潜力。

能量收集由两个关键组成部分组成 - 一个能量源和将能量转化为有用功率的东西，即电力。

能量收集可以采取汽车发动机振动，身体热量或附近蜂窝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量转化为电能。

来自太阳或人造来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。

我能为什么提供动力？

对能量收集的兴趣日益浓厚，这得益于电子设备变得越来越低功耗的趋势。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完全补充，从而消除了对电池或有线电源的需求。

那么，什么类型的传感器和无线设备可以用太阳能收集供电呢？

传感器

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照明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。但是，在较亮的设置中，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。

通常，无源传感器（如温度和湿度）消耗的功率非常小，可以配置为在任何环境中运行。需要采样的设备，如惯性、力和声学传感器，消耗更多的能量，可能需要更明亮的环境来运行。相机、背光显示器和灯光是功耗更高的设备示例，这些设备与室外环境更兼容。

无线设备

无线设备的功耗取决于它正在运行的协议。好消息是，最常见的协议，如蓝牙，LoRa，RFID和蜂窝变体，可能非常低功耗。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 秒可能会使您的总功耗减半。

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，仅消耗微安或更少的电流。

最后，完成传输所需的功率和时间因协议而异。蓝牙设备需要不到5ms和30mW的功率来传输数据包。然而，蜂窝设备可能需要几秒钟，并且需要超过1W的功率才能完成传输。

最重要的是，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？

现在是时候开始讨论螺母和螺栓了。太阳能收集听起来有用且广泛适用，但有一个大问题。

我从哪里开始？

如果可能的话，您应该从开发工具包开始。在原型设计过程中，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经尽一切可能使其技术集成到解决方案中变得简单。

原型设计过程可以分为三个简单的步骤。

1）识别设备，概念或想法。

2） 查找兼容的开发套件。

3）证明你的概念。

第一步有点不言自明。在阅读了什么是能量收集以及它可以为它提供什么动力之后，您很可能已经在脑海中漂浮着几个想法。让我们继续执行步骤 2。

查找兼容的开发套件

有许多现成的开发套件可用，它们可以完成繁重的工作并为您连接所有组件。它们具有电路和大脑，可以从环境中提取能量，将其存储在电池或存储元件中，并为设备供电。

正确的套件将取决于设备的电源要求和产品开发阶段。

如果您已经拥有设备或成品，查看其电源可以深入了解需要哪种套件来满足其电源要求（电压和电流）。查找输出与电池或输入电压匹配的套件。

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，许多套件具有内置的锂离子电池充电器，可以直接在已经使用它们的设备之间连接。

如果您从头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。

证明您的概念

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到环境中。理论计算可以提供粗略的估计，但查看系统是否正常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使用寿命。

跟踪一段时间内的电池电量是确定设备功耗的一种方法。收集到现场数据后，您可以开始对设计进行明智的调整。

最好先看设备，然后再看太阳能电池板，因为降低设备的功耗通常比收集更多能量容易得多。

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。梳理软件后，识别出一行代码，开启了日志功能。更改此单行代码后，器件休眠电流从 200uA 降至 2uA，总功耗下降了近 100 倍。

如果不先修改设备，就需要一整张太阳能表，现在信用卡大小的太阳能电池板是理想的。

一旦您确信已经优化了设备，那么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、重新部署和收集更多数据，直到您对所看到的性能感到满意为止。

后续步骤

一旦你有了概念验证，下一个合乎逻辑的步骤就是开始完善设计，让它看起来更像一个最终产品。您可以继续进行产品开发的下一阶段，并最终进行产品发布。

太阳能收集并不一定很复杂。如您所见，这可能非常简单。

审核编辑：郭婷