[发明专利]一种基于温差取电的多源级联三通道微能量采集发电平台

说明书

本发明公开了一种基于温差取电的多源级联三通道微能量采集发电平台，属于微能量采集发电技术领域。该发电平台包括多源组合式单元、升压电路级联单元、三通道电容蓄能单元和低压差稳压电路；多个温差片以串联、并联方式进行组合后形成多源组合式单元，升压电路级联单元采用DC‑DC升压电路级联的方式分别将多源组合式单元的输出电动势分三级逐级升压；三通道电容蓄能单元采用三通道电容蓄能方式实现自适应能耗匹配；低压差稳压电路把三通道电容蓄能单元的储能电压转换为传感器实际工作的电压驱动传感器运行。本发明能够解决采集极端微弱的环境能量获取高能效发电功率和储能水平为无线传感器供电及适应性匹配供电问题。

技术领域

本发明属于环境微能量采集发电技术领域，具体涉及一种具有高发电功率、高蓄能水平、自适应能耗匹配能力的多源级联三通道微能量采集发电平台的设计方法。

背景技术

MEMS、微电子技术的发展推动着更多低功耗无线传感器应用于工业现场检测和在线监控。“无源”、“无线”一直是传感器技术进步所追求的目标。随着物联网的发展以及传感器的广泛使用，以电池为主的无线传感器供电方式因电池的固有缺陷而备受关注。由于体积微小，自身携带电能有限，真正意义上的“无源”难以实现。将环境中的微弱能量转化为电能，实现传感器的自供电是实现无线传感器“无源化”的最佳途径。

微弱能量收集是将环境中的微小能量转换成可以供低功耗器件使用的电能，从而达到高效利用能量的目的。每种微弱能量转化成电能的原理都不相同，产生的电能也有各自的特点。摩擦能转换效率高，但必须通过两种特定材料的接触摩擦才能产生电能，使用场景受限；振动能的转换需要压电材料在环境中受力发生形变才能产生电能；电磁场、光照等环境能够不同程度得提供微弱能量收集的来源，但大多都存在着能量效率低、输出功率小，因而难以有效驱动传感器运行。而温差能的转换需要在热电材料两端产生足够大的温度差才可以将温差能转换为电能，适用于有温差产生的环境中。

温差发电是一种新的供能方式，它是在有温差的环境中，利用热电材料两端一定的温度能，将其转换为电能，具有体积小、重量轻，免维护，使用寿命长，节能环保等优点。相比于其它形式的能量，温差能更加微弱。但其来源相对来说更为广泛。温差发电片就是利用温差效应转换为电能输出，其输出功率与发电片热端与冷端的温差有关。温差越大，发电片输出的功率越高，而发电片两端面的温差与热端面热源温度、冷端面散热器的散热功率、环境温度等多个因素都相关。

由于无线传感器在运行过程中会有状态模式的频繁切换，不同模式切换下的能耗使用差异较大。如：传感器首次上电运行时需要一定强度的电能快速启动以进入正常运行状态，当处于低功耗休眠时能耗非常小，而一旦进行高功率无线发送传输时则需要短时间消耗大量电能。

为此，迫切需要寻求合适的微能量采集平台，以能够较好匹配不同运行模式下对能量需求差异，获得较好的无线传感器运行效果。如何设计提升温差发电功率，提升发电储能水平，并且在有效保证传感器上电快速正常启动运行的同时，兼顾满足传感器长期低功耗运行以及间歇式无线数据收发高功率能耗用电需求，一直未能很好解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于温差取电的多源级联三通道微能量采集发电平台，能够解决无线传感器不同运行模式切换下的能耗使用差异大的适应性匹配供电问题。在有效保证传感器上电快速正常启动运行的同时，兼顾满足传感器长期低功耗运行以及间歇式无线数据收发高功率能耗用电需求，从而能够获取较好的环境微能量采集发电效果。

一种基于温差取电的多源级联三通道微能量采集发电平台，发电平台包括多源组合式单元、升压电路级联单元、三通道电容蓄能单元和低压差稳压电路；

多个温差片以串联、并联方式进行组合后形成多源组合式单元，所述升压电路级联单元采用DC-DC升压电路级联的方式分别将多源组合式单元的输出电动势分三级逐级升压；所述三通道电容蓄能单元采用三通道电容蓄能方式实现自适应能耗匹配；所述低压差稳压电路把三通道电容蓄能单元的储能电压转换为传感器实际工作的电压驱动传感器运行。