文摘

近年来,无线传感器网络(网络)大幅增加,在许多应用程序中取得了很大的进步。但是有有限的生命、电池、电源的无线传感器节点,限制了网络的发展和应用通常需要很长的寿命,更好的性能。为了使网络普遍在我们的生活中,需要一个替代能源来源。环境能源是一个有吸引力的电源,它提供了一个方法,使传感器节点自供电的一生几乎无限的可能性。这个调查的目的是提供一个全面审查最近的文献的各种网络可能从周围环境能量收集技术。

1。介绍

近年来,随着微电子技术和无线通信技术的发展,网络,作为世界的十大技术在21世纪,是一个热门研究领域国内外的重要性在国防和军事应用1,2),环境监测3)、医疗(4,5),交通控制(6)、工业监控(7,目标跟踪8,结构健康监测9),等等。网络通常由许多低成本低功耗微传感器节点分布在某一地区针对收集和处理所需的数据并传输到基站协同无线通信方法。现在使用的电池来提供能量轮为目的是运行很长一段时间像几年或几十年在许多情况下(10]。然而,由于节点大小的限制,提供的能量电池是非常有限的,无法满足要求(11]。因此,电源、传感器节点的寿命的限制因素,已经成为网络发展和应用的瓶颈。

的方法研究了延长了网络的生命周期相关的两个问题,即能源供应和能源消耗。目前,低功耗几乎已经成为一个核心的研究在低功耗等网络MAC协议(12,13),路由协议(14,15)和传输协议(16),甚至操作系统(17)也强调了低功耗设计,为了延长传感器网络的生命周期。但是网络的节点不能获得正常的长期操作只能通过各种优化消费方法时,能源消耗已经减少到一定极限的各种技术,然后努力将不会得到更好的结果。另一个问题是电力供应。nonrechargeable锂电池是一种很有前途的能源存储设备和它的功率密度是45μW /厘米³一年的寿命为3.5μW /厘米³对十年寿命18]。如果传感器节点用于一个合适的工作环境要求较低的规模和运行时间,化学电池将成为一个经济的选择。然而,当网络要求工作很长一段时间,化学电池不能唯一能量来源在许多应用程序中,一个巨大的数量的传感器分布或地方很难访问更换或充电电池是一种不经济的或不可能的行为,如生物医学领域、环境监测和军事应用(19,20.]。所以探索一种新型的微功率的需求解决以上问题,微环境能量采集技术出现了。

能量存在的许多不同种类的自然环境,广泛分布,源源不断。它能有效地缓解无线传感器节点供电的问题,延长了网络的生命周期利用能量转换由多种环境能量收集技术。另一方面,无线传感器节点的电源总成本有所降低μW水平了(21随着微电子技术的发展,低功耗设计,网络技术(22),这使得大量的能量收获了网络系统成为有前途的解决方案来提供能量。考虑到能源供应模块,无线传感器节点结构如图1。

到目前为止,已经有一些报道,网络的力量是由能源采集系统提供。例如,太阳能收集装置测试的高山峡谷为无线传感器节点供电。测试系统由蓄电池、太阳能电池板和各种控制和测试电路。测试时间从2005年夏天开始,持续了超过100天。测试地点选择在阿尔卑斯山天气有很差的雷暴和雨云经常发生。然而,实验结果表明,太阳能电池能够为传感器节点提供一个相对稳定的电力(23]。

另一个案例是由研究者MictoStrain公司,他们的第一个太阳能桥监控设备已成功安装在科林斯,希腊语。每个传感器节点和太阳能电池板封装在防水盖为了提高户外活动的应用程序环境。任何节点监测振动时,整个网络将收到警告(24]。

第二个太阳能桥监控WSN MictoStrain公司,在康涅狄格大学的约翰·Dewolf博士合作,是安装在新伦敦金星桥。系统用于监测应变和温度的关键桥梁结构除了振动。传感器节点分布在整个桥,和一些地方可能很难获得,所以电池更换维修不适合桥梁监控应用程序。发达的WSN系统克服上述限制利用太阳能的收集装置,实现长期监测的桥梁。

微发电机PMG17南安普顿大学的下属永动机公司开发的机械振动转换成电力提供整个无线传感器系统通过精心设计的谐振磁铁和线圈。生成的电力足以供应能源的低功耗无线传感器网络通过各种。微发电机已被石油工业和用于几个加油站包括壳牌Nyhamna燃气电厂在挪威为无线振动和温度传感器供电。根据壳牌,无线振动和温度监测系统已成功地飞行员,挪威,开放的无线技术在全球应用程序作为标准。

竹中平藏公司的研究人员开发了一种新的传感器网络系统包含振动能量采集器和无线传感器。系统能够运行没有电池和电线可以转换环境人们走动和设备运行产生的机械振动转化为电能。竹中平藏的系统已经应用于技术学院公司办公室的温度和湿度调节。传感器节点是由空调管道的微小振动能量转换。

本文的调查各种可能的解决方案来收获非生物环境的能量轮作为电力收获系统图的一部分1。本文的其余部分组织如下。部分2本文介绍了能源获取的分类方法。部分3- - - - - -9给出一个全面的概述当前状态,正在进行的研究和理论极限的许多潜在的能源网络环境。和部分10结论和未来的工作。

2。能源的收获

有各种各样的方法来收获各种能量在周围的环境中。摘要能源获取的分类组织的基础上不同形式的能量。论述了包括太阳能和能源,机械、温度梯度、动态流体、声、磁、混合能量。相比之下,一些电力输出的能量收集技术的例子列在表中1。

能量收集系统的总体结构图如图的无线传感器2实现稳定的长期操作的目的(33]。因此我们可以利用环境中可用的能源发电在任何给定的位置为无线传感器供电。这些能源包括太阳能、机械振动、温度梯度、风能、水流、磁能。收获能量可以直接使用或存储到储能设备根据输出功率的大小和阻抗。有需要结合适当的接口电路的设计和制造为目的的实现无线传感器的自备。在本文的其余部分,收集方法进行了综述。

3所示。光伏发电

有两种方法来提取目前太阳能发电。一个是太阳能热发电适合大型网络工程系统和不适用,因为它是不可以在小型或纳米级(34]。,另一个是介绍了太阳能光伏。太阳能是一个一直流电源,利用太阳能发电是绝对干净无污染,安全,可靠,故障率低,不受区域限制。

在光伏系统中,太阳能电池将太阳能转换为电能使用直接根据光伏原理(21]。其他光荧光、红外等也可以用作太阳能电池电源(34]。根据材料,太阳能电池可分为四类:硅太阳能电池、multicompound太阳能电池,聚合物太阳能电池(PPVC)和纳米晶体太阳能电池。现在,所使用的太阳能电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池(硅)和铜铟硒细胞,并正在研究包括纳米二氧化碳敏感细胞,多晶硅薄膜电池和有机太阳能电池。其中,硅太阳能电池技术是最成熟的今天,也有商业价值,尤其是晶体硅太阳能电池。目前,拥有最大的多晶硅太阳能电池生产和市场份额,其次是单晶硅太阳能电池,适合高强度光光谱和室外条件(35]。综合比较各种太阳能电池的表所示2。

有许多方法来测试太阳能电池,而量子效率测试和伏安特性测试是最常用的。他们不仅可以得到太阳能电池的光谱响应分析,也获得光电流的真正价值,也就是说,真正的太阳能电池短路电流的值见以下表达式: 在哪里大气质量为太阳光谱辐照度吗给定条件下的标准W / m² μm和是太阳能电池的绝对光谱响应。

图3展示了太阳能电池的输出特性曲线(图3(一个)显示了和太阳能电池特性曲线在恒阳光和图3 (b)显示了太阳能电池特性曲线不同阳光下)。可以看出,太阳能电池是一种既非恒压源和恒流源,但非线性直流电源。它可以获得最大输出功率,,而负载电阻的值是选择使输出电压和电流的乘积最大。和太阳能电池的输出功率将大大改变随着日照强度和环境温度的变化。为了提高太阳能收集系统的效率和尽可能多发电,最大功率点跟踪系统中需要翻译(MPPT)控制器,使太阳能电池始终工作在最大功率点在不同条件下的阳光,温度,负载特征(36]。

太阳能收集系统的总体框图无线传感器如图4。

产生的能源存储设备是用于储存能量以及传感器节点所需的缓冲能力(37]。无线传感器可以直接连接到能量存储设备的直流特性。虽然每个传感器节点的电压范围可能不是相同的,一些传感器可能供应电压的变化非常敏感,那么需要由直流-直流变换器输出电压(38]。然而,有时这种方法是不可取的,考虑能量收集系统的简单性和效率。可能也需要额外的监管之间的传感器和能源存储设备,以确保传感器节点与一个稳定和安全电压。

太阳能被更广泛地考虑了网络的能量消耗几个mV (39)是常见的和可访问的能量在大多数部署环境,可以很容易地利用40]。虽然作为网络的电源设计,这是我们必须考虑的第一件事就是网络的供电需求。然后,我们必须考虑这些因素的影响太阳能电池的效率,如太阳日晒,密集的云和积雪,阴影造成的障碍,影响的时节,纬度和海拔高度,角度和位置的安装太阳能电池板,太阳能电池的特性,功率调节特性,化学和能量储存容量组件用于存储能量收获(41- - - - - -43]。

随着光电组件的成本下降,这已经成为一个合理的解决方案,利用太阳能能源轮为(44]。目前太阳能电池效率高,可在市场,有几个遥感和无线应用程序45]。和光伏技术已经发展成为粒子沉积在光敏从最初的硅基片上制造。有重量轻的优点,安装方便,并降低环境温度的影响,这种新材料可用于室内和室外和非常适合为小型和远程传感器提供电源。

最近,研究人员已经取得了很大突破的微型太阳能电池和其中一些如下面所示。

Kyosemi的公司开发了一种微球太阳能电池叫做Sphelar是一项革命性的转变比前一太阳能电池(46]。该产品的主要特点是能够捕获各个方向的阳光和接受超过20%的间接反射的光。的整体效率是远远超过大多数平板太阳能电池板和面积少的基本要求。但这种太阳能电池的设计和生产也更复杂。

加拿大科学家开发了一种新型的高效的全谱与串联式连接基于胶体量子点太阳能电池(CQD)和理论转换效率高达42%47]。太阳能电池由两个吸收层,一层是用来捕获可见阳光,另一个是能够赶上看不见阳光。这一进展提供了一种可行的方法来最大限度地捕获各种太阳发出的光和承诺提高转换效率和降低成本。研究人员希望这种新电池可以集成到建材、移动电话和汽车零件5年。

传统薄膜太阳能电池理论极限的聚光能力称为“ray-light强度极端”这表明最大可以捕捉到的光量,但这个峰值可以达到只有当达到一定厚度的材料。然而,加州理工学院的研究人员发现,当膜厚度等于或小于可见光的波长,影片的聚光能力将会变得非常强大。这一进展有助于开发新的电池的厚度只有百分之一的当前商业薄膜太阳能电池。目前,研究人员已经开发出一种薄膜电池几十纳米的厚度(48]。但是很多的光会穿透薄膜电池之前被吸收。这技术也面临着许多挑战,如需要额外的工业过程生产这些薄膜,这将导致成本的增加。

最近,澳大利亚和日本科学家发明了一种太阳能电池比蜘蛛网更薄(49]。这种超薄太阳能电池由电极嵌入塑料标签和厚度只有1.9微米相当于当前薄太阳能电池的十分之一。超薄,superlight ultraflexible太阳能电池将广泛应用在未来,包括使用的便携式电子收费设备或制造的电子纺织品。现在研究人员提高光电转换效率。此外,他们也试图增加大小的新太阳能电池太阳能电池发电能力的大小成正比。这个新的太阳能电池将在五年内投入使用。

太阳能电池板是模块化的,可以使用在任何规模实现所需的力量。它仍然可以生成一些权力时密集的云在天空发射光转换的能力。此外,面板几乎不需要维护,一个典型的一生大约20年34]。利用光伏系统的缺点是收获能量正比于太阳能电池板的表面面积和为了使节点得到尽可能多的能量,需要增加太阳能电池板的表面面积的矛盾与传感器的小型化要求节点。和天气条件和位置安装光伏电池扮演关键角色。通常,可用平均收获能力很低。

收获能源与太阳能电池板的表面积成正比,所以主要的正在进行的研究是提高现有光伏材料的效率和发展与高效的新型光伏材料如黑硅。在上面的是循序渐进的,也许目前最重要的事情是有效利用热能的太阳辐射能。否则,耗散和太阳能电池的干扰温度上升将导致开路电压的降低,太阳能电池的转换效率和寿命。

4所示。机械能矿车

产生的机械能是当一个物体受到一些运动或机械变形,它可以转化为电能通过几种方法包括压电、静电、电磁转换(42]。它的振动是最普遍的能源可以在很多环境中包括建筑、道路、桥梁、车辆、船舶、和其他类型的生产和生活设施50]。在生物医学科学,机械能矿车生物传感器也可以用来提供能量用于实时监测参数如血压和血糖水平,等等,人类或动物的利用身体电流脉冲和血液。

在周围环境中,主要的振动频率范围是60 Hz - 200赫兹和加速度峰值之间0.5 m / s²和10 m / s²(35]。根据力激发和基本励磁(位移和速度),振动源作用于振动能量收集系统,将机械能转换为电能,如表所示3。

4.1。压电能量收割机

提高压电材料、压电性能和使用高度集成、低功耗电子设备,压电收获技术近年来受到了人们的广泛关注。压电材料的固有属性,当压力发电应用(51]。压电转换通常是适合往复运动的本质,而不是旋转系统(52]。压电材料主要包括压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料。目前,压电陶瓷压电陶瓷是最常用的压电材料的压电陶瓷的优点有成熟的生产工艺,成本低、大型机电耦合常数,能量转化率高。但压电陶瓷压电陶瓷是脆弱的,不能承受大的压力,很容易产生疲劳裂纹,脆性断裂在高频循环荷载的影响。另一个常用的压电材料是聚偏二氟乙烯(PVDF)。压电陶瓷压电陶瓷相比,PVDF较小的机电耦合常数(53),但它具有灵活性好,机械强度高,良好的抗疲劳强度和化学稳定性(54),适用于高频下的应用程序与周期性负载。表4列出了一些常用的压电陶瓷压电陶瓷的性能参数和PVDF。

表达平均收获权力从piezoelectricity-based振动提出了蜀和以下所示标准和SSHI界面,分别是(55]: 在哪里是常数级,是自然振荡频率的压电振动器短路条件下),机械阻尼比,和分别是归一化频率和电阻,是替代机电耦合系数,是振动质量证明,,在那里是反演质量因素造成的能量损失主要来自电感串联的开关。

方程表明,生成的权力取决于输入振动的频率和加速度,电力负荷,振荡的证据质量,自然频率、机械阻尼比,系统的机电耦合系数和反演质量因素SSHI电路。它可以用来比较不同大小的收割设备供电和不同振动输入估计效率。

有两种实用的压电耦合模式操作,如图5。d33模式,振动力量应用于极化方向相同的方向,而在d31模式应用力垂直于极化方向(56,57]。d33模式耦合系数高于d31模式,但是d31模式能够产生更大的压力在一个小外力以非常低的电压源和小型设备d33模式相比,它允许紧张在弯曲悬臂压电材料(58),所以它更适合无线传感器网络的能量收获。

压电换能器压电能量收集系统的关键结构之一,它的选择最好是符合环境振动机械能的收获最大化。根据不同的结构,压电传感器可分为单、双压电晶片零件,彩虹类型、铙钹类型,穆尼类型,栈类型等等56,57,59- - - - - -63年]。表5显示了典型的压电换能器的结构和特征。

vibration-based MEMS中压电能量收割机,悬臂梁为悬臂梁是应用最广泛的结构能产生的最大挠度和遵从性常数(64年]。同时,梁的弯曲振动频率通常是低于其纵向振动频率和扭转振动频率和它很容易激动。很多压电传感器适用于这个结构。Rectangle-shaped悬臂结构最常用的简单的过程和相对较高的效率。有一个免费的小端,trigon-shaped悬臂梁将产生更高的输出功率更高的压力和最大变形量比矩形梁宽度和长度等于三角形的底和高光束(65年),而应变可以更多的分布在整个trapezium-shaped悬臂结构(66年),可以提供更多的能量比trigon-shaped梁相同的压电陶瓷体积(67年]。

陈等人提出了一个circular-diaphragm-structural压电能量收割机的维度毫米²(68年]。他们发现的最大输出电压和功率提高以相对较低的频率随着预应力的增加,存在一个最佳的质量和压电薄膜之间的接触面积和生成一个功率12 mW。技术很难集成MEMS技术和批量生产。收获能源的数量可能电力无线传感器和收割机可以集成传感器利用外部力量与一个圆形膜片结构,如压力传感器,实现自备。

张等人开发了一个直写压电聚合物王中林教授的峰值和平均能量转换效率为21.8%和12.5%,分别为(69年]。电气输出可以通过增加应变率增强和频率和王中林教授的串行或并行连接。王中林教授提供了几个优势包括效率高、可制造性和能力直接与其它结构和过程的集成。尽管如此,电纺的过程的复杂性导致低层可重复性。王中林教授可以使用直写纳米纤维在大面积布增加的总输出功率便携式电子设备和无线传感器。

压电能量收集装置的优点是结构简单、成本低、不发热、无电磁干扰,容易制造,相对较高的输出电压水平,机电转换效率等等(70年]。但最常用的悬臂梁结构的压电收获系统不能满足复杂的外部环境,宽的情况令人兴奋的振动频带。的缺陷限制了应用压电收获系统在某种程度上。此外,该压电收获系统可以产生高水平的输出能量只有当它与外部激振产生共振。它通常需要能量采集电路来调节输出功率,从而导致一个相对较大的能量损失由于开关控制电路,它大大影响能量收集系统的效率。

为了获得更好的性能,提高压电能量收割机的效率以及实用性,正在进行的研究主要包括改善现有的压电材料属性,研究新型压电材料与压电常数大应变、高机电耦合系数和低损耗,提高压电能量收割机的结构来增加输出功率。其中,最重要的一点是,研究压电能量收集与多通道的特性和宽带满足未知或图示外部激励和宽频带振动。

4.2。静电(电容)能量收获

静电能量收集系统产生电压通过改变电容。在能量输出的系统,它需要一个初始电压应用于电容(71年]。当电荷存储在电容器的数量由外部振动,改变电路中电荷流生成,从而为传感器提供电能。与其他振动能量收集方法相比,静电能量收集装置与集成电路有很好的兼容性和MEMS技术(72年),它可以利用相对成熟的硅微型机械技术制造MEMS可变电容器(73年- - - - - -75年)有许多优点,如高Q,宽调谐范围、噪音低、体积小、低质量和更适合无线传感器。

Sidek等人设计和模拟一个SOI-MEMS静电振动能量收割机使用架构师与微米级大小的模块CoventorWare 2010 (76年]。仿真结果表明,5.891的收割机能够发电μW 2 kHz的共振频率太高而环境振动的频率。然而,所需的性能和生产能力可以通过影响结构设计和制造过程。

张文雄等人开发了一个平面,差距重叠comb-drive静电振动能量收割机4.9毫克的质量提供平均输出功率为0.0924μW当收获10μ运动幅度在105赫兹,收割机的大小是3000μm×3000μm×500μ米(26]。的收割机由CMOS工艺实现片上集成的信号调节电路的可行性。收获机有一个非常小的规模,但能量收获也在一个非常低的水平只针对低功率应用程序。

Altena等人提出了一个electret-based MEMS静电能量收割机(77年]。实验结果表明,实际输出功率与极化电压不同预期的二次行为。驻极体的使用在本文中不仅解决了电容式能量收割机的常见问题与辅助能源水库的必要性,还介绍了一些问题的测量输出设备显示梯状行为与增加更明显的极化电压的原因横向静电力限制地震的运动质量。

虽然静电能量收集系统与集成电路有很好的兼容性和MEMS技术和更高的电压和功率密度在同一大小、可变电容器的初始电压或电荷是需要解决的一个关键问题(78年]。使用外部电源充电电容器违背初衷的能量收获(79年];因此有必要利用静电能量的储存能量收集系统本身提供的初始电压或电荷电容。和驻极体,作为静电指导,可以分为两类:SiO₂基于无机驻极体和有机聚合物驻极体,是一种有效的方法来解决这个问题(80年,81年)通过三种方法的电晕充电,电击穿充电,充电和液体接触。三种充电方法的比较如表所示6。

主要研究工作与单个硅electret-based能量收割机结构已经由藤井裕久等。82年]。作者使用了伪造的反电极的栅极电极可以制造后的驻极体。他们捏造的收割机单向灵活Si春天适合转换低频振动。收割机能达到最大输出功率为0.23μ0.1 W的加速度G 10赫兹。

作为一种广泛使用的电介质与电力存储函数,驻极体材料融入许多MEMS设备这些年来随着MEMS技术的发展。但驻极体的小型化与低表面潜在的缺点,稳定性差,等等83年]。这是一个迫切需要解决的问题。

可变电容器的初始电压或电荷是技术问题主要因素制约MEMS静电能量收集系统的发展,所以目前研究主要是有效的静电能量收割机使用存储能源供应稳定的初始电压对电容器,如研究高性能驻极体材料。此外,许多研究人员专注于减少静电的频率和提高机电耦合性能振动能量收割机为了进一步其输出功率和实用性。

4.3。电磁能量收获

电磁能量收获是基于著名的电磁感应原理,定义为导体中产生感应电动势,当磁通变化。电磁振动能量采集器可以简单包装,减少腐蚀的风险,消除温度极限。相关的参数对矿车包括磁感应,磁通密度,矫顽力。,一般有四个可用磁铁:陶瓷,铝镍钴合金、电子管、和钕铁硼。表7列出他们的一些性能参数。在同一卷材料制作的机械件,钕铁硼最大磁场强度,高矫顽力,没有消磁由于发电机的振动,这是近年来最常用的永磁材料(84年]。

磁铁的沉积,形成可以通过显微加工技术。溅射和电镀等沉积技术被用来制造micromagnet。然而,永磁体的特点降低磁铁厚度减少,所以高质量的制造micromagnet是非常困难的85年]。更换不同的磁铁与微型机械永久磁铁中需要解决的一个问题微观电磁能量收集系统。

拉希米等人提出了一个vibration-based电磁(EM)能量收割机系统为1.5 V, 15μ负载转换效率为65%,和5%的涟漪,在外部振动10赫兹的频率和最大输出功率是22.5μW (86年]。分离的磁体系统的其他部分提出错位等问题,较低的可制造性,而作者采用开机整流器在这种技术可以减少功率损耗由于二极管在AC / DC转换阈值电压下降相比传统整流器。由于大多数环境机械振动产生低频(1 - 10 Hz),这种技术提供了获取能量的可能性等许多应用程序的可穿戴电子产品和地震预警系统。

道等人提出了一个微型电磁振动能量收割机的维度毫米³和收割机的总体积大约20毫米³(87年]。测试结果表明,收割机能够产生最大最大峰值电压为20.9μV 365 Hz的设备的共振频率和输入加速度的1 g。这项研究提供了一个解决方案的微观电磁收割机充分结合MEMS制造工艺虽然产生能量非常有限。

电磁发电机的优势提高可靠性和降低机械阻尼不会有任何机械接触部分。另外,不需要单独的电压源。提取的电力的电磁能量收割机与电磁阻尼取决于通量梯度,线圈,线圈阻抗和负载阻抗和这些参数都与大小。早期的电磁能量收割机是复杂和笨重的87年],MEMS技术被广泛研究的电磁能量采集结构。然而,小型化也带来了一些问题,如减少,降低线圈品种,降低功率提取能力。

电磁能量收割机的小型化以及降低输出功率,和能量收获效率的主要影响因素是磁铁和线圈,所以本研究点是减少设备尺寸的前提下不会影响能量收获效率,改善线圈制造技术,发展良好的韧性,resistant-impact,低成本的线圈基材,生产高性能微小的磁铁。此外,许多研究人员专注于自动调整电磁能量收割机共振频率根据外部振动源的变化以提高能源效率的收获。

收获机械能量的三种方法有不同的优势和劣势领域的功率密度,与MEMS集成和集成电路技术,电匹配,等等,但他们的效率与振动频率由于数学事实从vibration-based发电机最大输出功率成正比的立方体在低频振动频率和急剧下降(1 - 100 Hz) (27,28]。因为环境中的主要频率相对较低,机械能量收割机可能需要利用升频器将低频到高频,达到增加输出功率(27,28]。三国机械能采集方法、压电和静电矿车有能力产生电压范围从2到10 V,但电磁矿车只能产生的最大电压0.1 V (41]。

外部励磁的振动能量收集系统是随机的,所以希望系统能够有一个更好的反应对不同频率和振幅振动激发态为了确保能源收获效率。所以有必要综合考虑两个因素包括系统输出功率和带宽的共振区域和选择适当的系统参数当系统阻尼比设计。为了生成的能量最大化,应遵循以下基本原则在振动能量收集系统的设计。(1)振动能量收集系统的频率应该是相同的外部激励频率以达到共振。(2)它应该试图增加的质量惯性组件允许的系统(88年]。(3)应该是试图增加振动能量收割机的相对运动传播性决定结构在外部激励水平不变的情况下。(4)它应该试图减少系统的阻尼比的振动能量矿车与给定质量惯性组件的前提下保证一定带宽的系统共振区。

5。热电发电机

两端之间的温差半导体PN结是用来发电的微型热电发电系统。热电材料有三个与温度有关的属性:塞贝克系数,导热性和导电性89年]。有许多来源的余热可在我们周围,如地热(90年)、工业废热、发动机排气和太阳的热量91年]。

当前热电发电机(羊毛)的转换效率一般在6%至11%之间。羊毛的效率大约是温差成正比时它很小的热电材料和温差有强烈影响输出电压,和生成的电压成正比的数量和温差热电材料热电元素被选中。因为它很难维持一个明显的温度梯度小装置(92年),可用小温差的羊毛的表面,一般不高于10°C (93年),和微观尺寸的设备94年使输出功率和转换效率非常有限。此外,还有卡诺循环的效率上限由温度梯度能量收获。卡诺循环的效率是由 我们可以看到从卡诺效率的公式仅限于小等于/。

目前,热电技术研究的核心内容主要集中在改善现有的热电材料的热电性能与深入研究,新型热电材料的研究,开发功能梯度热电材料,减少维度的热电材料的数量,以提高输出功率相同的条件下热来源。近年来,各种技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和电化学沉积(ECD)已经广泛应用于薄膜热电材料的发展有卓越的品质与其他微处理技术相结合的能力,大大提高热电材料的组成和结构,从而增加了热电品质因数。然而,由于接触电阻和接触电阻热的更大的损失,这些设备现在转换效率较低。热电材料的效率简化假设塞贝克系数,导热导电性,是独立的温度的确切表达式很复杂和公式如下所示95年]: 在哪里热电材料的品质因数。热电装置的实际效率只有90%的上述公式是由于电气互连的损失,接触热阻,接触电阻和其他热损失。

Francioso等人开发了一个小型的羊毛整合一批100 -薄膜热电偶在柔性衬底上面积毫米²,完成非常低的消费电子产品环境辅助生活应用程序(96年]。430 mV的最大开路输出电压和电机输出功率高达32 nW实现了匹配负载°C。羊毛是灵活和可穿戴虽然患有输出电压不足。它可以用于医疗和生物参数监测等等。

陈等人提出了一个透明micro-TEG (μ羊毛)制造MEMS技术在4英寸玻璃晶片(97年]。一个与透明玻璃窗组装μ羊毛数组可以产生0.05 ~ 0.1 W的功率5°C ~ 10°C以下温差基于理论评估。这种技术兼容集成电路制造技术,也没有持续的冷却要求。的μ羊毛可以安装在建筑物的窗户对太阳能能量转换的应用程序。

羊毛具有体积小,重量轻,无振动,没有噪音,安全性和可靠性,维护成本低,适应任何特殊气候地区的能力,和长时间工作在极端环境中98年]。此外,它可以利用所谓的低级热发电等废物燃烧热量,地热、太阳能热量,和海洋热;特别是在应用程序中很有前途的从工业废热和余热发电91年]。因此,我们可以充分利用能源,减少能源消耗和环境污染。它们的使用是有限的,因为能量转换效率低,成本高。目前,羊毛主要用于高科技领域,如医疗、军事、潜艇、宇宙空间。

热电发电机的效率主要取决于热电材料性能、热电偶的数量和几何热电偶导线截面积的腿在一个特定的应用程序环境。所以提高热电材料的性能是一个重要的持续研究提高转换效率和功率密度热电发电机。主要进行研究设计和制造各种优化微结构热电设备使用MEMS微加工手段包括优化length-area热电偶腿的比例,增加单位面积上的热电偶数字来改善薄膜热电堆的输出,捏造热电偶腿大横截面积减少设备阻力。热电发电机的效率降低以及热电偶长度的减少由于接触的影响,和接触越明显的影响存在,更多的快速能力收获效率降低,所以另一个正在进行的研究是降低接触电阻和接触热阻的热电发电机可能在制造过程点。

6。动态流体能量收获

动态流体能源包括风能和流水的力量。流体的动能可以收获两个方法。第一个由机械部件,如微涡轮发电系统。第二个使用nonmechanical部分作品一样的机械能收获技术流动的风或水引起机械振动能转换为电能的压电(99年,One hundred.],静电[101年),或电磁原理102年]。流体的输出机械功率能量收割机是由以下方程: 在哪里矿车的性能系数;换句话说,它是流动的能量转换为机械能的效率和理论最大值是16/27根据Batz理论,流密度kgm吗⁻³,是米的横截面积²,流体速度在吗。

6.1。微型风力收割机

环境空气流或强制对流103年)也可以是一种能源在室外无线传感器节点自治,远程,或无法访问的位置104年]。风能收获的现有方法包括微型风力发电机,微型windbelt发电机,压电风力矿车和电磁风力发电机。传统的风力涡轮机是最成熟和常用的方法获取风能,但它降低了效率与规模由于轴承摩擦损失的增加效果和降低叶片的表面积。此外,传统发电机的旋转部件,如轴承、遭受疲劳和磨损(105年]。微windbelt发电机输出功率更高在高风速(> 5.5 m / s),但其输出功率显著降低风速较低(< 3.5 m / s), windbelt发生器可以非常嘈杂的在操作过程中106年]。压电风力矿车有一些优势包括结构紧凑、灵敏度低速风力,更高的效率,即时开始没有死时间,体积小,超轻重量,磁导率极低,几乎没有散热(107年]。但穷人压电应变系数现有材料可能会导致输出功率很低,和压电材料会产生一个共振频率最大力量只有当压电材料振动共振频率。电磁风力发电机是可靠的和有小机械阻尼,但沉重的磁铁将导致发电机不能运行在低风速(108年]。

一般来说,微型风力发电系统的组成框图如下(图所示6)。

控制器是用来确保正常充电,放电的能量存储设备和风力发电机的控制变速比,使其工作在最佳功率点,实现系统的最高效率(109年]。

因为风能的间歇性和不稳定将导致不稳定的电力供应的问题,能源存储设备提供一个稳定的和持续的力量用于无线传感器,以确保安全持续运行。

Carli et al。110年)开发了一个塑料四叶水平轴风力涡轮机总量低于300厘米³。实验结果显示在给定条件下收获不断能量平均约8 mW和平均功率连续可用约7兆瓦buck-boost转换器的效率85%。产生的力量在设定的条件下满足低功耗传感器节点,但系统的体积相对较大。风能量收割机介绍了适用于驱动小型嵌入式系统部署在室外环境。

Priya展示了一种压电风车组成12压电能量收集装置的检测传感器振荡的转向流过的风力发电的风车51]。风车的周长大约10毫米。成功制备了10.2兆瓦的电力。所产生的电能可以通过改变双压电晶片零件的数量控制在风车,它提供了一个解决方案,远程和通讯设备,需要在10 - 50兆瓦的范围,包括天气监测和结构健康监测传感器,加速度计,应变式、热传感器、开关、和警报。但这一研究仍然面临着挑战与电路相关的存储电能,复杂的设计,尺寸相对较大。

谭和熊猫了压电风力收割机和利用低功率的双压电晶片零件压电致动器自动风速传感器(107年]。当存储电容器充电最高电压等于917 uJ,触发信号开始释放射频发射器的能量。压电风力收割机及其相关电子产品比较轻巧与其他风车相比,但收获能量非常有限和网络不能处理突发事件的工作周期传感器太小了。因此可以采用少量的网络数据和麻木不仁的延迟。

风能是取之不尽的可再生能源,免费使用,无污染,广泛分布,等等。但它能量密度较低,地区差异,风速波动的不稳定因素和不可预测这将导致产生不均匀的电所有的时间111年]。此外,风收割机可以吵它移动机械部件(44]。

这是一个关键使风力发电机系统工作在最大功率点由于不稳定的风。为了进一步提高风力涡轮机的效率,它是需要翻译研究和开发高效的MPPT控制技术根据风能的具体特征。翻译的设计MPPT控制技术是困难的因为大转动惯量和相对复杂的控制风力涡轮机。所以最大风能捕获的鲁棒控制的研究成为一个热点风力发电系统非线性和随机扰动。

6.2。流水能量收获

流水包含动能由于水压力波动,它可以转化为电能能量收割机(112年]。流水是一种可再生,无污染的、连续的和可靠的无线传感器节点的能量来源113年]。在任何大小和水电开发规模,它是适用于网络(34]。

太阳和胡114年)发明了一种电磁振动发生器根据水流的影响。实验表明,生成的权力增加的数量,当水流影响线圈盒的中心或它的速度和总量增加和减少水发生器的底部增加高度和达到最大影响人均水量统一时间。拟议的发电机是相对较大的整合与小的传感器。射流发生器可以固定在网点的运输和储存设施将水流能量转换成低功耗系统的电能。

Pobering和Schwesinger113年)提出了两种类型的能量收割机,flag-shaped压电聚合物收割机和微结构piezobimorph发电机,将流水的动能转化为电能。第一类是应用于湍流可以弯曲定期对双方产生不同的流动速度在不同压力产生动力。这发电机产生容易和成本有效的丝网印刷技术,但最大功率转换效率是相当有限的d31-coefficient PVDF非常低。第二种类型是放置在一个不稳定的流动产生改变压电陶瓷施加压力,然后生成电力。机械理论表明,和薄的光束的时间越长,生成的能量就越高。约6.81的幂μW可以实现理论上的PZT-ceramic发生器的转移因子约为8%,成交量为100毫米³和2 m / s的流速。可以利用低能量低功耗传感器或微发电机可以并行工作,形成一个微动力装置固定在流动的河流提高额定功率。与发电机或螺旋桨,转换器没有旋转部件,不需要维护。

流水的能量收集系统可用于电力的网络使用越来越感兴趣监测水质和水力状态(115年的配水系统、河流,等等。在应用程序中,能量收割机的类型选择基于不同需求的大小和能量。水轮机能够为无线传感器产生足够的电力,但是它有一个很大的大小导致的困难在管道安装和集成的传感器节点。虽然流激振动能量收割机微观尺寸,需要进一步的研究来提高转换效率和优化生成的能力适合供电无线传感器节点(116年]。

7所示。声音的能量

声波的能量可以被人们喜欢使用其他形式的能量。当声波传播到物体的表面,这将导致对象的振动。这是测量时所产生的电能高达100千瓦jet是160分贝的噪音。可以看出,电力被声波能量巨大的高分贝水平的情况。

可用的形式的声功率谱包含纵向、横向弯曲,静水,或者剪波。声能量系统的公共元素包括一个输入机械功率谱,一个有效的声阻抗匹配,一个压电或有偏见的电致伸缩换能器把输入的机械能转化为电能,电力负荷匹配(117年]。

Iizumi et al。118年]提出了一种微型机电压电声波能量收割机有双顶电极利用不同极性电荷的中央部分和边缘部分振动压电陶瓷隔膜。外围、中央和连接生成能量收割机的权力W,W,W 100分贝声压级下的共振频率4.92 kHz,分别。权力产生的近两倍,其他设备都具有类似的隔膜。可以采用收割机在应用程序的数据量很低,高噪音;噪声控制和能量收获可以同时实现。

刘等人。119年)提出了一个机电亥姆霍兹共振器(EMHR)作为声波能量收割机。本研究采用额外的回程转换器与单一直接充电电路和条件生成的能量。实验结果表明,输出功率大约是30 mW在161分贝的回程转换器减轻负荷不匹配的问题,这是远远高于直接充电电路。但除了电能的二极管,平面波管控制器引入额外的能源消耗和反激式变换器的声阻抗不匹配导致一个相当低的总体效率从6%变化到1.5%声输入压力在145和161分贝之间。该设备可用于低功耗电子产品和传感器放置在非常高的声压级环境如发动机短舱。

声能源可以利用传感器节点放置在一个高声压级环境等的声能量的发动机短舱有一个非常低的功率密度,可以从表1。和声学能量收获将不仅满足无线传感器的电力需求,但也改善环境条件,减少噪音120年]。

8。磁性能量收获

磁能源,取之不尽的可再生能源,地球上无处不在。目前,研究磁场能量收集无线传感器相对较少,主要集中在电力传输的特定方面/分布线。最近,一个“智能电网”的需求(121年,122年],一些资产和电线的参数需要通过无线传感器实时监控线温度、线下垂,糖衣、振动、腐蚀钢铁核心,断链,电晕,可听噪音123年),等等。根据电流的磁场效应,产生一个变化的磁场在电线因为交流传播。我们可以利用产生的磁场能量为无线传感器提供动力。尽管磁场的功率密度不高,如果使用得当,它足以为低功耗无线传感器提供能源。

田代et al。32)利用能源采集模块与一个空心线圈和一个谐振电容器收获磁能从电线。实验证明了电压振幅的增加和品质因数增加线圈的间距系数和平均半径。然而,它也可以导致更高的能量损失较高的线圈电阻和不受欢迎的线圈涡流损耗。最高功率为6.32兆瓦,最好的收获模块实现了磁场的21.2 60赫兹。收获能量无线传感器是可行的,但能量采集模块笨重而传感器节点和均匀磁场实验过于简化而在实践中。同时,纯铁棒选择可能会导致大的涡流损耗。

Moghe et al。124年)提出了两种方法来获取能量从周围磁场的载流实用工具资产:压电双压电晶片零件和通量concentrator-core电流互感器。压电双压电晶片零件能够提供一个平均功率的26.4 mW无线先生来说已经足够了。但其无法提供电力不断导致能量储存的需要。而在实践中,也存在的问题如何夹在指挥。而另一个方法,一个非常小的表面积通量concentrator-core电流互感器(毫米²)可以提供257 mW当时1000的输电线路。它有体积小的优势,能够坚持指挥。但是在实际应用中,核心和导体之间的偏差将导致减少收获能量。同时,核心的距离从导体应控制几乎是成反比的收获能量。

目前,收获输电线周围磁场能量的研究仍处于初级阶段。还有一些其他的研究像朱等的研究。122年,125年),郭et al。126年];然而,这些都或多或少仍有许多问题需要解决在实际应用程序中,例如,如何安装导线周围的发电机,减少收割机的大小,并消除电晕、局部放电等的绝缘问题。也必须考虑经营环境的影响,天气条件、污染、线下垂和振荡(126年),等等。

9。混合动力电源

的能量从一个能量收割机通常是小(127年)和高度变量随着时间的推移,它的位置,负载和工作条件(73年,74年),所以依赖单一能源一旦环境可能会导致一些潜在的问题是这种能量供应不足,该节点将无法正常工作和可靠。,一般来说,有很多不同形式的可用能源现有环境的同时。为了使每个传感器节点尽可能地从环境中获取所需的能量,我们需要设计一种能量收集系统,它不能仅仅获取能量从一种类型的电源128年]。因此,有必要将各种能量采集模块在一个传感器节点129年]。这绝对是困难的,主要表现在以下方面。(1)各种各样的能量收集技术还不成熟,需要创新研究。(2)我们应该保证各种能源收集组件可以满足传感器节点的苛刻要求。(3)必须确保各种能量收获谐波和存储组件可以收获能量效率。

王zhong lin教授和他的团队成员,乔治亚理工学院开发了一种复合王中林教授可以收获太阳能和机械能在同一时间。这是第一次,人们利用单一集成设备同时收获不同形式的能量(130年]。发电机被证实,它的两个部分不仅可以一起工作,也没有相互独立运作。他们还发现,太阳能电池的输出电压可以大大增强,王中林教授和输出电流,电压,和电力的发电机通过串联和并联设计大大提高。这项发明显示,它是可行的收获通过一个集成的不同形式的能量发生器和本研究也探讨一个新的研究领域,利用各种不同的能量效率高。

玉等人设计了一个光电和热电混合动力能量收割机轮为通过附加的羊毛的后方太阳能电池吸收的热能131年]。结果表明,太阳能电池的开路电压和转换效率增加了0.3 V和5.2%,分别和后部温度低13°C单一太阳能电池相比,当太阳辐照度和环境温度是778 W / m2和32°C,分别。然而,收割机是体积比小的传感器。

Wischke等人开发了一种双面悬浮混合能量收割机压电和电磁传感器合并来增加输出功率(132年]。在300年共振μW - 120μW可以从压电和电磁发电机部分,分别有10 m / s²正弦激励和最佳负载条件。收割机的特点是结构新颖、低成本制造、和模块化的设置,和动磁式配置最大化地震质量和避免问题的附加电感电触点。输出功率可以提高通过增加地震质量与共振频率降低了,但系统体积也增加。的手工装配和调整电感和磁铁提高失调和较低的可制造性等问题。它可以用在许多vibration-based应用程序通过进一步降低谐振频率。

10。结论

网络提供了有吸引力的解决方案为各种不同的应用程序,但传感器节点能源供应是其中一个重要的问题需要解决。环境能量收集技术未来可能取代电池实现独立供电的无线传感器节点。此外,还有其他一些优点使用降噪等能量收集技术,消除相声,和所有这些能源都是可再生,清洁,可用无限的环境。本文全面介绍了各种可能的环境能量收集技术和选择的应该是适合网络的实际应用和工作环境。表8简要的总结所有的能量收集方法和可能的网络应用程序。

目前,环境能量收集技术仍有许多缺陷;例如,输出功率和转换效率很低,环境能源可能不稳定,设备不能当没有足够的运作环境能源和微功率发电机的价格相比是比较高的电池(133年]。环境能量采集技术的发展趋势包括以下方面。(1)正如上面提到的,有很多不同形式的能源的环境。为了使每个传感器节点能够获得所需的精力长期和稳定的环境中,我们可能需要集成多种传感器节点相同的能量收集技术,确保各种能量收集技术可以有效地协调和储存能量。(2)到目前为止,有一个伟大的距离现有的能量收集技术和大规模商业生产各种环境能量收集技术仍不成熟,输出功率和能量转换效率很低,所以各种能源之间的耦合特性和收获力量,和相关参数的能量采集结构需要进一步优化。(3)能量收集系统的大小应该尽可能减少传感器节点在许多应用程序的严格要求。小型化的发展趋势是未来能源收集系统。(4)有必要结合的结构设计和关键电路调度和协议基于节能的无线传感器节点延长传感器节点的寿命。(5)整合是必要的能量收集方法,电源管理策略,电池充电和新的通信标准与传感器节点为了达到永久的终极目标应用程序使用无线传感器和扩大市场。

利益冲突

作者宣称他们没有任何商业或关联利益代表与这项工作有关的利益冲突。

确认

本文中提供的材料是基于工作由中国国家自然科学基金(没有。61104211),江苏省自然科学基金(没有。BK2011214),研究中国高等教育的博士项目基金(没有。20110095120005),由中国博士后科学基金会(没有。20110491490),优先级的学术程序开发江苏高等教育机构。