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功率技術/新能源  

基於壓電陶瓷光纖的自供電系統可望取代電池

上網時間: 2005年12月23日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Self-powered system  WSN  piezo-electric fiber  自供電系統  無線轉換器網路 

引言:壓電陶瓷光纖的‘超級轉換器’(super transducers)可以提供越來越大的功率,高電荷壓電陶瓷和光纖合成製程技術的結合使得自供電系統能用在很多種電子系統中因而取代了電池或是延長電池的使用壽命。這類元件的出現結合奈瓦級測量性能的電子元件,開闢了寬廣的新產品及業務範圍,超低功率產品和應用的新時代即將到來。

圖1:壓電光纖作為能量採集器。

能量收集(EH),某些時候是指能量清除,作為一種減少或消除對電池電源需求的方法已經獲得廣泛的關注。一些透過利用來自人或者環境資源的能量的創新方法已經可以使用。電池的侷限性使得EH得到更廣的採用,但是需要更好地結合設計技術。利用若干領域知識的多學科方法是必需的,包括電子、機械、材料和製程。

EH本身並不是新概念,諸如手搖無線電、手搖供電的電筒、風車和太陽能都是應用類似的理念。其新穎之處是將EH應用到超低功耗的嵌入式電子設備中。高電荷壓電陶瓷和光纖合成製程技術的結合使得自供電系統能用在很多種電子系統中。

技術的融合

在工程技術領域,壓電元件的原理很好理解,不過其應用還是一個具有很多可能性的新生領域。壓電陶瓷光纖‘超級轉換器’可以提供越來越大的功率,該元件的出現結合奈瓦級測量性能的電子元件,開闢了寬廣的新產品及業務範圍。眾多電子系統和設備對超長壽命電源(ELSPS)的需求推動了廣泛的研究、開發和成長。具有獨特特性的壓電陶瓷光纖為實現自供電系統的大範圍應用提供了巨大的潛能。

傳統的壓電陶瓷材料堅硬且沈重,而且是製成塊狀。低成本技術纖維膠懸浮液旋轉製程(VSSP)能夠生產直徑從10微米(頭髮的1/50)到250微米的光纖。當形成用戶定製形狀的合成材料後,陶瓷光纖就具有了陶瓷所有有用的特性(電性能、熱性能和化學性能),而去除了有害的特質(例如脆性和笨重)。與傳統的大體積陶瓷相較,VSSP所生產的光纖的能量轉換效率提高20~30%。機電轉換效率可達70%,而太陽能收集通常只有16~18%,而且這種陶瓷光纖能夠每天24小時收集振動能量。

壓力能量的產生

主動光纖合成物(AFC)開啟了能量收集應用的大門。光纖能夠重覆利用諸如運動、振動、壓力(張力)等機械力產生的廢棄能量。採用簡單的、低成本的類比電路,壓力能量可被轉換、儲存並調節,因而直接替代電池。一個典型的AFC可以容易地從振動產生40Vp-p的電壓。

一個典型的雙壓電晶片元件(AFCB)能夠產生400Vp-p的電壓,某些類型能產生4,000Vp-p的輸出。採用30Hz的振動頻率,ACI壓電光纖能在13秒內產生880mJ的可儲存能量,這足夠能耗為0.11mJ/s的LCD時脈執行20多個小時。這些能量已被證實足以用於為裝備、用品、醫療設備、大樓和其他基礎設備的監測和控制無線系統的供電。

依據不同的應用,可以透過串聯或並聯兩個或者多個壓電元件來調節電源輸出。合成光纖能被塑造成用戶需要的任何形狀,而且都具有彈性和運動感應性。這種光纖通常安裝在那些具有大量機械運動或無用能量的地方。

應用實例:無線轉換器網路

轉換器要測量從過程溫度到系統壓力和機械振動等每個環節,所以一直以來在製造和產業環境中佈署轉換器都是成本高昂。轉換器的佈線成本和維護成本都很高。

隨著基於IEEE 802.15.4的Zigbee標準的推出,大型、低成本、低功率的自管理無線轉換器網路(WSN)已經實現。轉換器、訊號調節器、控制器和RF收發器的體積不斷縮小、功率不斷降低、整合度越來越高。無線網路、智慧轉換器和分散式運算的結合製作出一種用於監測機器、建築物、環境狀況的新範例。

低成本的、可更新的能源對於廣泛部署的WSN而言至關重要。畢竟,有誰願意更換成千上萬的電池呢?在某些情況下,基於能量收集的新型壓電光纖可避免在WSN中採用電池。在其他的情況下,能量收集技術適用於給電池充電以提高工作壽命。能量來自於被監控系統的振動。基於壓電光纖的產品不需要維護,大幅減少了壽命期內的成本,改進了產業和機器控制系統的整體品質。

圖1顯示了壓電光纖作為能量收集器的實例,該光纖將無用的機械能轉換成Zigbee無線轉換器節點的自供電電源。壓電光纖捕捉到結構抖動、壓縮或者彎曲產生的能量。獲得的能量(電流)用來對儲存電路進行充電,儲存電路提供轉換器節點電子設備必要的功率水準。

在這個例子中,能量被壓電光纖合成物的振動獲得。該能量被轉換並儲存在低漏電流電路中,直到達到某個臨界電壓。一旦達到這個臨界電壓,經過調節的能量可在一段足夠長的時間內為Zigbee控制器和RF收發器供電。

其他的應用包括:

  1. 照明:主動光纖合成物能將機械能直接轉換成光能,而無需中轉成電能。通過採集周圍振動的能量,主動光纖合成物可為橋面、數位告示牌、浮標以及其它低功率照明負載提供場致發光照明。

  2. 智慧架構:主動光纖合成物還能用於提供振動阻尼和結構變形解決方案。為實現自調節系統,一種包含主動光纖合成物的智慧結構可感測運動變化。運動產生的電子訊號可以用來控制測試運動改變幅度的處理器,並返回一個放大的訊號,該訊號可以繃緊或放鬆主動光纖啟動器/轉換器。

設計整合

將壓電光纖技術整合進終端系統中的關鍵是要確定系統的功率要求,了解並選擇可用的機械能。設計過程包括以下主要步驟:

  1. 確定能量需求:需要供電的系統有怎樣的能量需求?EH領域中的功率需要進行平衡。

  2. 可用的周圍功率源總量:設備的應用將幫助確定可利用的位置。例如機器、建築物、汽車、人等。一旦確定了應用,必須對本地的振動源和機械能量源進行量化。

  3. 確定實體封裝要求:你的應用能為壓電光纖合成物提供多大的空間?如果是可攜式電子設備,其面積就不必受電池盒的大小限制。事實上,壓電合成物可以做成設備本身的形狀。

  4. 模擬壓電功率性能:一旦合成物的外形和尺寸確定下來,並且機械壓力和頻率已知,就能確定壓電功率輸出。需要為應用建構一個原型以確保在實際環境下能成功運作。

  5. 確定校正、儲存和調節器需求:能量收集的電子設計相對簡單。關鍵要求是能量儲存、調節電壓和公差。

本文小結

市場上出現很多能夠降低電池需求或完全不需要電池的新型、獨特的產品。壓電陶瓷光纖技術為EH、主動結構控制和自供電系統提供了一種獨特的解決方案。Advanced Cerametrics公司的主動光纖合成物的功率輸出是其他壓電產品的10倍,一般能承受2億次振動週期。通過將光纖合成物與低成本的電子組件與封裝相結合,超低功率產品和應用的新時代即將到來,可為無電池的低功率應用提供超長壽命的市場方案正在浮現。

作者:John Marciszewski

管理顧問

Steve Leschin

業務開發執行總監

Advanced Cerametrics公司




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