[实用新型]多源能源采集与储存集成系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及能量采集和存储技术领域，尤其涉及一种多源能源采集与储存集成系统。

背景技术

最近集成电路技术的进步发展了超低功耗应用的芯片，它用电量低，可以通过采集周围环境中能量源的供电方式，形成自供电电子系统。例如，在无线联网中的自有源传感器系统中，包括微控制器、传感器输入的模拟/数字（A / D）转换器和无线射频收发器的功能，它可以结合光伏能量收集装置供电与充电电化学存储设备（充电电池）。

对于本实用新型所涉及的光电能量采集器、振动能量采集器、射频充电器和固体电池，虽然分别已经有相关的报道，但是，将多种能源转换器与存储器集成为一个器件是一项全新的技术，实现这一技术方案需要解决一系列新的问题，如：选择物理性能优良价格合理的材料以保证器件良好的能源转换及存储性能；采取有效的隔离屏蔽设计以防止集成器件之间可能产生的相互干扰。

无线传感器件根据不同应用设计的需要,对电源有不同的要求。有些传感器器件需要一种可以自行充电的电源来延长器件的使用寿命，降低维护成本。这时太阳能光伏电池是理想的选择，因为太阳能电池结构相对较为简单，性能比较稳定,而且所需的光能很容易获得。光电能量采集器基于太阳能电池的工作原理，由光子激发电子空穴对，半导体PN结的内建电场将电子与空穴分离到相反的PN结两端产生电势。太阳能电池的有效率受很多因素影响，例如半导体材料本身的光吸收系数，少子寿命，器件的结构设计，抗反射层的特性等。相对其它能源，光伏技术采集技术较成熟，其能量采集率相对高，太阳能源存在范围最广，绿色清洁，作为能量采集技术目前颇受青睐。微太阳能电池技术作为较成熟的技术已经有公司进行开发，其中包括美国Clare Corporation；IXYS Corp；和以色列 Sol Chip 等公司，他们利用半导体材料的微加工技术，可以将光敏物质做得很薄,电池体积可以做得很小,能够满足无线传感器件的需要。但是，现有的微光伏采集产品尚未与能量存储器集成，使用时需要外加能量存储器，增加了系统的体积和成本。现有的光伏采集产品的成本也偏高。

振动发电的原理是利用压电材料的压电效应，电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象而产生正负相反的电荷。振动转化为电能的表述如下：P ~ A²m/ω，其中P：能量，A:加速因子，m：质量，ω：振动频率，产生的能量与质量和振动频率有直接关系。

射频发电和充电最近受到许多关注，但是其能量采集率低，可用能量源很局限，能量源须非常接近其能量采集器。这些特性限制了射频发电的应用。目前射频技术用于能量传递，有很好的应用前景，如电动汽车的充电，无线传感网的节点充电。射频能量采集器或充电器是根据简化Friis公式计算：                                               ，其中P_r：接受天线能量；P_t：传送天线能量；G_t: 传送天线增益；G_r：接受天线增益；R：距离；λ：波长。

在微能源存储技术方面，锂蓄电池有比较高的比能量(100～200 Ah/kg) 和优良的循环使用性能。薄膜微电池作为传感器件的主要电源和备用电源有许多可能的应用。比如,微型的医疗器件,远程的传感器,小型的发报器,智能卡。作为备用电源可以应用于计算机存储器卡和其他类型的静态存储器等等。美国OakRidge 国家实验室用物理溅射的方法制备了全固态的薄膜电池。这种薄膜锂蓄电池体的厚度仅为15μm ,这种电池可以制成任意形状以满足特定的应用需要,只要保证电解质完全的隔离了正极和负极。

发明内容

针对现有技术中存在的缺点：（1）现有的能量采集器件只能转化单一能源为电能；（2）在无线传感网的应用中，作为能量采集和存储的元件目前尚为分立器件，成本高，体积大。本实用新型的目的是集成多源能量采集和能量存储技术，将环境中多种能源（光，振动，及射频）同时转化为电能并存储在同一器件内，输出再生、不间断的电能，使其应用系统升级为自动供电系统。

为了实现上述目的，本实用新型系统的技术方案如下：