[发明专利]能量采集和转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及能量采集和转换技术领域，具体地，本发明涉及低功率环境能量采集和转换技术，尤其是可将电磁无线频率信号和机械振动的能量采集并转换为电能。

背景技术

物联网(The I nternet of Things)、智能城市和智能住宅都依赖于由数十个乃至几百万个电子设备互联而构成的网络。由于有些设备安装在无法触及的地方，或者设备太小以致于无法容纳电池，因此，通过电缆或者电池为这些电子设备供电可能不切实际或者根本无法实现。

根据库梅定律(Koomey’s Law)，每隔18个月，相同计算量所需要的能量会减少一半。2009年市售的笔记本电脑已经搭载了能够处理280项操作/μJ的处理器。按照这样的处理能力，2015个处理器应该可以处理接近4.48项操作/nJ。这使得工作于近数十个nW级功率范围的微波能量采集成为为这些未来的分布网络设备供电的可能方案。

环境微波能量采集器已经成为最近报导的焦点。然而，正如在环境能量采集中所发现的那样，η_Total—即RF(射频)-DC(直流)采集器能量转换总效率，通常低于10％，处于低能量水平。

人们已经广泛研究了从多个能量源采集能量以增加总的采集能量，。但是，这些研究都是将每个能量源独立对待，均是以拓扑方式来处理，这种拓扑方式的能量转换总效率太低。

因此，如何提高能量转换效率，成为目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明正是基于上述问题，提出了一种新的能量采集和转换装置，可以提高能量采集和转换总效率，有助于充分利用能量。具体来说，本发明提供的是一种基于使用不同能量源的协作能量转换的换能器，即由机械振动和RF(射频)或者微波或者光的能量转换，将来自两个或两个以上能量源的能量合并于一个单独的整流器中，该整流器可以在使系统效率提高以及拓扑简化的方式下工作。

有鉴于此，本发明提出了一种能量采集和转换装置，包括：

至少一个天线，所述天线可采集环境能量并将其转换为电能；

至少一个机电换能器，所述机电换能器能将机械能转换为电能；

非线性整流装置，连接所述天线和所述机电换能器；

其中，所述天线和所述机电换能器所产生的电能集合到所述非线性整流装置中产生直流电流，并增加整体的直流电力。

在该技术方案中，本发明提供的能量采集和转换装置，可使得协作DC(直流)电流产生于至少两个能量转换器中，从而提高能量转换的总效率。

在上述技术方案中，优选地，

所述天线采用导电材料制成；

所述机电换能器为基于法拉第电磁感应定律的电磁换能器、压电换能器、磁致伸缩换能器、或者可以将动能转换为电能的换能器；

所述非线性整流装置为具有非线性电流-电压关系的部件。

进一步地，所述天线为射频发生器，可将自由空间传播的电磁波转换为射频电流；

所述机电换能器为低频发生器，可将动能转换为电流；

所述非线性整流装置为二极管、晶体管或热电偶。

在上述技术方案中，非线性整理装置可以为任何具有非线性电流-电压关系的部件，例如，二极管、晶体管、热电偶；非线性电流-电压关系可以在热电子传输、通道传输以及热点效应中发现，但不限于此；进一步地，非线性整流装置可以使用不同的效应；机电换能器可以为基于法拉第电磁感应定律(faradays’law)的电磁换能器、压电换能器、磁致伸缩换能器、或者任何可以将动能转换为电能的换能器；天线可以由任何充分导电材料制成，以及具有本领域技术人员公知的合适的形状制成；则该能量采集和转装置中，至少有一个换能器和至少一个天线共同工作，从而提高能量采集和转换的效率。

需要说明的是，本发明所述机电换能器不仅仅局限于上述技术方案所述的换能器，可以由任何能将动能转换为电能的设备替代。

在上述技术方案中，优选地，所述二极管包括对光敏感的半导体二极管，可将接收到的光转换为直流电流。这可进一步提高本发明所述能量采集和转换装置的效率、并扩大能量采集范围。

在上述技术方案中，优选地，

还配置有直流-直流电压转换器，用于将输出电压转换为所需电压水平。该技术方案，可以进一步提高本发明所述能量采集和转换装置的使用便利性，所述DC-DC电压转换器为本领域普通技术人员所述公知，这里不再赘述。

在上述技术方案中，优选地，

可通过动力校验路线优化采集效率，以评估所采集的能源，以用于调整其电气特性。

在上述技术方案中，优选地，还包括：