作为太阳能电池备用的混合储能装置

能量收集使用自然产生的能量来扩展可用功率，使其超出有限能源（例如电池）可以提供的限制。这种方法提高了能源的整体效率，延长了充电间隔时间，并提高了不可靠的可再生能源的设备性能。向更可持续的解决方案迈进，促使设计工程师超越这些有限的能源，转向完全可再生的解决方案：太阳能电池。也称为光伏 (PV) 电池，这些设备通过光伏效应一步将太阳的辐射能转化为可用的电能。这种效应接触带正电和带负电的硅以产生电场。

这些独立的微型发电机专门为本地负载供电，以减少对电网系统的需求，同时也减少业主的水电费。太阳能电池的应用包括“离网”家庭和较小的负载，例如路边电子标牌和物联网设备（包括传感器和执行器），它们可以远程安装和无线连接。由于太阳能电池的能源是免费的，这种能源的理想状态是“安装即忘”，将太阳作为一个无限的能源库。然而，工程师必须克服几个挑战才能在物联网中实现这种方法。

最直接的挑战是能源能否平衡各种使用条件下的需求。短程和远程物联网传感器平均需要 7 到 16.4uA的能量。设计工程师针对给定的能源优化 PV 电池，并添加电容器以减少对辅助电源或完全桥暗期的依赖。电容器又被优化以最小化泄漏电流。并且设计还需要一个传感器接口来采样数据、存储和传输信息。

幸运的是，创新的产品解决方案和对挑战细节的基本了解可以解决这些问题。

克服挑战

DC-DC 转换器从光伏阵列接收电力，并产生可用于为小型太阳能微型发电机中的设备供电的电力。两个关键性能指标是高能效和电能质量。这些指标是必不可少的，因为用户希望小型设备能够提供一致的性能。然而，提供给光伏电池的太阳能的可变性给自持光伏物联网传感器带来了三个主要挑战：

光伏辐射输入能量不足

通过电容器有限的存储和驱动能力

通过传感器采样、数据存储或传输设备过于频繁地出现过大的峰值电流

其他挑战包括温度限制、不合适的电压、转换损耗、错误时间的能量放电以及传感器的老化/退化。由于存在这些低效和损耗，电源不稳定并且可能包含下垂或纹波。

此外，太阳能仅在一天中的部分时间供应，并以不同的强度进入光伏电池。这些不一致进一步降低了物联网设备的性能质量。低输入能量或持续输入能量加上有限的存储和过大的峰值电流带来的挑战需要备用解决方案来平衡能量负载。

集成能量收集存储解决方案

光伏能量收集器可以使用先进的超级电容器（如Hybrid Storage 196 HVC ENYCAP ™电容器）提供这种关键的备用/增强电源。ENYCAP 是一种混合存储设备，这意味着它可以存储可以提供备用电源的静电和电化学能量。ENYCAP 具有从单节电池 1.4V 到多节电池 8.4V 的强大电压灵活性，可提供径向（堆叠通孔）、平面贴装或平放方向。

它采用高电容极化并提供 13Ws/g 的高能量密度以最大限度地减少封装空间。该电容器还可在 85°C 下运行长达 1000 小时，无需维护或维修。此外，196 HVC ENYCAP 不需要电池平衡，与传统超级电容器相比具有节省时间的优势，并且它包含无害电解液。与现有的市场超级电容器相比，它还表现出较低的自放电。

196 HVC ENYCAP 不仅仅是一款适合能量收集的传统电容器。它是一种混合储能电容器，是小型系统、内存控制器、SRAM/DRAM、高速缓存保护、工业 PC/控制、应急灯和微型 UPS 电源等应用的备用系统。

在上述物联网传感器应用中，ENYCAP 可以提供高达 2mA 的收集功率和超低泄漏。此性能水平可最大限度地减少反向电流以提高性能和效率。

结论

鉴于可再生太阳能在消费电子和工业电子产品中的市场份额不断增长，设备制造商必须确保其产品始终如一地提供高性能。此外，设计人员需要考虑可再生能源的可变性及其免费、近乎无限供应的主要优势。结合 Vishay 196 HVC ENYCAP 混合存储电容器等能量收集使能器，可提供高性能混合存储解决方案和太阳能电池备份。

作者

Adam Kimmel 作为执业工程师、研发经理和工程内容撰写人拥有近 20 年的经验。他在垂直市场（包括汽车、工业/制造、技术和电子）中创建白皮书、网站副本、案例研究和博客文章。Adam 拥有化学和机械工程学位，是工程和技术内容写作公司 ASK Consulting Solutions, LLC 的创始人和负责人。

审核编辑黄昊宇