（中国微米纳米83012）混合能量存储技术在光电微能源中的应用研究

摘要：为简化集成无线传感器节点光电微能源系统的设计和提高能量转换、存储效率,提出混合能量存储技术在光电微能源系统设计中的应用。混合能量存储器由电容器和锂离子电池组成。同时,介绍了能量存储的原理和分析了混合能量存储结构的负载特性。另外,开展实验研究,结果表明,与直接能量存储方式相比,利用混合能量存储技术能量存储量提高27%。并且,微能源的负载特性也得到改善,实验结果与理论结果一致。     

环境能量收集技术及其在无线传感器网络中的应用

针对目前无线传感器网络不能长时间工作、更换电池不易等问题,为了提高其工作生命周期,对环境中可易收集到的三种微能源的特点和收集方式进行了分析,并且根据无线传感器节点所处外界环境的特点,给出了一种能同时采集这三种环境微能源的低功耗能量管理系统,来实现能量的充分利用。实验表明,从多个来源进行收集增加了能量供应的可靠性,能够让无线传感器节点长期稳定工作。     

基于人体能量的微传感器节点能量利用方法

计算技术、通信技术和微机电技术的快速发展为智能传感器网络的广泛使用提供了坚实的技术基础。能量供给技术是智能传感器网络的关键技术，因为只有长效、低廉的能量才能保证微传感器节点的正常运行和发挥其独特的作用。传统的电池供能技术已满足不了大规模传感器网络微节点对能量的需求。因此，需要研究新的节点能量供给方法和技术以满足微节点的特殊需求。本文讨论了基于微机电系统（MEMS）技术收集人体能量为微节点供能的方法，并给出了相应的计算模型，这些模型对传感器微节点的能源设计和智能传感器网络的广泛应用具有重要意义。     

微能源技术在无线传感器网络中的应用

本文提出了在无线传感器网络中应用微能源技术,将太阳能电池作为电源为无线传感器网络中的节点供电.用太阳能电池替代传统的干电池,可以大大提高传感器节点的使用寿命,同时也可以降低传感器的使用成本,解决无线传感器网络的能源问题.     

井下微能量收集装置设计

井下无线传感节点能量有限,可利用能量收集技术将井下环境能量转换为电能为传感节点供电,从而延长无线传感节点生命周期。测试并分析了井下巷道弱光环境下光照强度,结果表明距光源1～2m范围内,光照强度为50～170Lux,符合非晶硅、钙钛矿等光电材料工作范围,因此将井下弱光能量转换为电能具有可行性。采用30cm×40cm非晶硅光伏电池板、BQ25505型电源管理芯片和锂电池设计了一种井下微能量收集装置,可将井下弱光能量转换为电能并存储。针对井下环境能量不连续的特点,设计了能量缓存机制,即采用容量较小的可充电锂电池为能量缓存电池,选用较大固定容量的锂电池为备用电池,当可充电锂电池电压达到设计值时由其供电,当电压不足时切换备用电池供电,确保无线传感节点正常工作。对微能量收集装置进行了实验室及井下测试,结果表明:装置在50Lux以上光照强度条件下即可输出毫瓦级电能;当井下光照强度达到170Lux以上时,装置能够利用转换的能量为低功耗无线传感节点供电,无需启用后备电池;当光照强度未达到170Lux时,能量缓存机制协调可充电锂电池和备用电池为无线传感节点供电,有效提高了节点生命周期。     

农用无线传感器节点基于混合能量收集和利用的自供电系统设计

智慧农业的实现基础是能够高效可靠地采集并传输农田环境信息。农业生产环境具有复杂、影响因素多、异质性大等特点,这对传感器节点的适应性及供电系统提出更高的要求。本研究创新性地设计了一种农业环境微能量收集系统。该系统将太阳能、土壤温差能和微型风能混合收集,并利用所设计的一体化发电系统实现对无线传感器网络节点自供电。采用高效的电能管理电路实现了各能量的互补利用,达到了通过对混合环境微能量的高效收集来为无线传感器节点稳定供电的目的。文中针对多种能量收集策略、最大功率点跟踪技术以及阻抗匹配功能实现等问题进行了分析研究,并总结了目前混合能量收集技术的现状及发展趋势。     

生态物联网节点的风光混合能量变换系统设计

为使物联网传感器节点长期用于生态环境监测,设计了一种风光混合微能量变换系统提供节点持续电能.设计了光源自动跟踪和最大功率跟踪两种控制电路,最大程度地进行光伏能量转换;设计低输入电压的能力的升压电路以提高在低风速情况的能量采集.分析了风光混合系统电源管理的工作方式,理论推导传感节点和双轴电机工作所需能量管理的理论条件.实验测试结果表明：研究的混合微能量变换系统能够精确检测光照强度,能采集光能和风能并实时充电存储,节点可以持续工作,采集数据并实时远距离无线传输,能够满足林业生态环境的远程监测功能要求.     

基于能量自搜集的智慧城市无线感知节点供电系统研究

无线传感器网络技术的发展与推广,受到供电问题的制约。研究了一种供电系统,为解决无线传感网络的供电问题提供一种可行的参考方案。提出了一种基于能量自搜集的智慧城市无线感知节点供电系统,该系统采用多晶太阳能电池板搜集光能,采用温差发电片搜集热能,以压电陶瓷为基础制作的悬臂梁实现了对振动能的采集,并将搜集到的能量转化为稳定的直流电能并进行智慧化存储管理,为本系统的无线传感器模块供电。该系统最短可在177 s内将超级电容充电至4 V,或将搜集到的能量稳定地储存到锂电池中,从而为无线感知节点持续供电。所研究的系统在无线传感器网络技术领域具有广阔的应用前景。     

微弱能量收集电路技术的研究现状与发展趋势

随着物联网的发展和无线传感器网络的广泛使用,以电池为主的供能方式弊端日渐显露,微弱能量收集因其诸多优点而得到了极大重视.介绍了目前微弱能量收集电路技术研究的现状,对目前的微弱能量收集电路技术进行了分析,阐述了多种微弱能量的收集,介绍了目前高效率的微弱能量收集电路的设计模式.结合目前微弱能量收集电路的优缺点,展望了能量收集电路技术未来的研究趋势和方向.     

一种基于能量感知的无线传感器网络混合路由协议

针对无线传感器网络的资源局限性、自组织性和网络拓扑结构的不确定性,提出了一种基于能量感知的平面路由和层次路由的混合路由协议。该协议可根据节点剩余能量的表现来判断节点的当前状态和路由选择,网络中各节点以"尽力而为"传输数据和"不得已"动态建立自适应簇头的方式进行网络通信。仿真结果比较表明:该协议具有较高簇头生成率和可靠的数据交付率,能更有效降低网络能量消耗。     

无线传感器网络节点能量补给算法设计*

针对无线传感器网络节点能量补给困难这一问题,设计了基于太阳能充电技术的无线传感器网络节点能量补给的最小移动距离算法和最近两节点中心移动算法。仿真实验证明,在同等条件下,两种算法都可以实现无线网络的能量补给,从而延长网络的生命周期,其中最近两节点中心移动算法比最小移动距离算法的平均移动距离小,稳定性强,是一种较好的能量补给算法。     

基于能量捕获和混合储能的微观网络能量最优分配算法

随着纳米技术和无线网络技术的快速发展,单个节点(设备)的微小尺寸和有限能量严重地限制了微观无线网络的应用。因此,在传统宏观网络节点储能结构单一和能量捕获技术不稳定的基础上,利用超级电容的快速充放电特性,提出了一种基于超级电容和电池的混合储能结构。在此混合储能结构的基础上,根据点对点的双工信道模型和能量传输损耗特性,建立了面向能量捕获的网络吞吐量模型和节点能量分配解析模型,并提出了相应的能量最优分配算法,实现了节点吞吐量的最大化。该算法根据节点捕获能量的时域分布,优化分配超级电容与电池的能量值;同时,采用最优传输功率与传输时间进行数据传输。实验结果表明,所提混合储能结构和能量分配算法能有效地提高节点的吞吐量。     

基于模糊PID的混合储能技术在微电网中的应用

基于成本和控制效果考虑,单一的储能元件无法抑制全频段的功率波动,普通的协控制策略又无法实现实时调节参数以适应微电网随环境的变化,本文提出将基于模糊PID的混合储能的技术应用到微电网中,先从系统的构成和工作原理出发,分析混合储能技术在微电网中的应用,而后根据系统的构成和数学模型提出基于模糊PID的协调控制策略,并将此策略应用到光伏系统的仿真中,根据仿真结果的对比分析,系统的输出功率波动得到更好的抑制,储能元件有更好的运行特性,体现了该种方法的优越性。     

一种基于压电俘能器供电的温度测量系统设计

物联网时代传感器节点往往分布广泛,且有时传感器节点放置位置不易触及,电池能量一旦用尽不易更换,该传感器节点就无法正常工作。为此,该文设计了一种基于压电振子振动能量供电的微功耗温度测量系统,该系统利用压电振动能量收集装置将环境中存在的低频振动能量转换为电能并收集存储,并为设计的微功耗温度测量系统供电从而实现温度信号采集和发送。提出了一种基于干簧管的能量采集电路,其采集效率是标准能量采集电路的32倍,最后通过试验验证了该系统的可行性与准确性。     

基于超级电容器的太阳能汽车储能系统研究

针对太阳能汽车在启动时需要蓄电池提供瞬时大电流,制动时会使蓄电池承受大电流冲击,导致蓄电池寿命严重缩短这一问题,提出一种基于超级电容器的新型储能系统,并通过模糊控制使超级电容器与蓄电池协调工作。本设计在MATLAB平台上搭建了基于超级电容器的太阳能电动汽车混合储能系统的模型,进行相关的仿真实验,实验结果表明混合储能方式可以提高汽车启动速度,减少对蓄电池造成的损害。     

一种基于混合自动机模型的节点动态功耗管理机制研究

为了降低传感器节点的能耗,从而延长传感网络的使用寿命,本文将传感器节点的工作状态划分为四种,并设计了一种基于混合自动机的节点工作状态转换模型.为降低事件丢失率,文中定义了温度和相对湿度两种环境变量,该模型根据这两种环境变量是否跳变来决定节点进入何种工作状态;同时该模型考虑了节点的剩余能量,提高了节点能量使用的均衡性.仿真实验结果表明:该方法是有效的.     

基于混合储能结构的能量捕获无线通信信道容量分析

针对现有能量捕获技术存在能量来源不稳定、储能设备容量有限等特点,提出了一种基于超级电容和电池的混合储能结构,并建模分析其相应的通信信道容量性能。首先,针对点对点能量捕获无线通信系统,建立基于混合能量存储结构的通信信道模型。其次,根据能量捕获的随机特性,假设能量到达过程符合伯努利随机过程,提出了一种近似最优能量分配策略,推导出系统平均吞吐量的上、下界限及其常数差值,并进一步求得系统近似信道容量。最后,通过实验验证了在捕获能量小于和大于超级电容储能容量两种情形下,系统信道容量上、下界的恒定差值分别为1.77bps/Hz和2.49bps/Hz;同时,相比传统节点采用电池作为单一储能结构,混合能量存储结构能够有效提高系统的能量利用率,增大系统的信道容量,当超级电容储能容量与电池储能容量的比例为12时,信道容量的上界 可提升到70%。     

无线传感网络中基于无线能量补给的能量感知路由算法

针对无线传感网络中随机分布传感器节点能量消耗不均衡的问题,提出了一种基于无线能量补给的能量感知路由算法。休眠节点不仅可以在无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)传输方式下通过功率分割方法进行无线能量补给,还可以在信息传输方式下通过无线能量收集方法进行能量补给,重新进入活跃状态,为信息传播提供更好的路由,提高传感器节点的能量利用,延长传感网络的使用寿命。在该算法中,通过优化节点间的信息和能量分配,最小化传输功率,引入能量路由度量方法,选择能耗最小的路径作为传输路径。仿真结果表明,本文提出的算法可以有效地利用节点资源,均衡多跳能量受限无线传感器网络中的能量分布。     

离网型风电系统混合储能装置控制策略研究

离网型风电系统中引入混合储能装置,能显著提高系统运行稳定性.考虑到蓄电池与超级电容功能上的互补特性,提出了模糊控制与非线性死区特性相结合的方式.利用模糊控制对死区特性的控制参数进行合理的选取,达到优化蓄电池与超级电容充放电过程的目的.基于Matlab/Simiulink平台搭建风电混合储能系统并进行相应仿真,对比使用模糊控制与否时的功率分配效果,得出了上述控制策略对蓄电池在电量充足和电量不足时的充放电有较为合理的控制,延长了储能系统的使用寿命.     

片上集成光电微能源工艺兼容性及器件特性研究

根据暂存式光电微能源系统组成器件的制备工艺特点,提出了基于SOI晶片的光电微能源片上集成方案。主要工艺包括绝缘沟槽刻蚀、离子注入、氧化等,具有较好的制备工艺兼容性。另外,根据片上集成方案,对器件特性进行了研究。结果表明,光伏电池的转换效率为9.7%,NMOS管阈值电压、漏极反向击穿电压VT分别为0.98 V和31.97 V,NPN三极管的电流放大倍数、集电极-发射极之间击穿电压约为83 V和12 V。各器件特性满足系统工作要求,集成方案具有较好的可行性。