[发明专利]一种一体化混合环境能量收集装置

说明书

技术领域

本发明属于环境能量采集领域，具体涉及一种一体化混合环境能量收集装置。

背景技术

太阳能、射频电磁波能量和机械振动能量是三种普遍存在的环境能量资源。太阳光照射下的太阳能电池的典型功率为mW级别。在太阳光直射时，典型的薄膜太阳能电池接收的能量为50-100mW/cm²。在阴天或者在室内的情况下，接收到的功率将下降到μW级别。薄膜太阳能电池比如氢化非晶硅，对光能的典型转换效率为10-20%。薄膜太阳能电池要在提高转换效率的同时降低材料和制造成本，这是目前第三代太阳能电池研发中的主要挑战。除了努力研究开发低成本和高效的太阳能电池，还要努力提高低功率DC/DC转换器系统的最大功率点跟踪能力，用来优化太阳能收集系统的性能。

相比于太阳能，环境中射频电磁波的平均功率的水平显著较低。测量结果显示，环境中射频电磁波的平均功率的最大值为0.1-1μW/cm²。由于很多低功耗传感器在无线环境中工作，这就意味着它们可以通过收集射频电磁波能量来供电，而这就需要使用到天线。这些天线不仅可以用在无线通信方面，还可以用来收集射频电磁波能量给自身供电。近年来，射频无线输能越来越受到人们的重视，而整流天线是其中一项关键技术。整流天线由接收天线、滤波电路和整流电路等部分组成，它通过接收环境中的电磁波，将接收到的电磁波转换成直流电能输出。目前，整流天线中接收天线的形式主要有单级子天线、偶极子天线和微带天线3种形式。微带天线因其具有体积小、重量轻、接收面积大、极化方式灵活、方便组阵、易集成和易加工等优点，近年来被广泛用于整流天线中接收天线的设计。

机械振动能量收集有压电式和电磁感应式的工作方式，这两种方式都能得到微瓦到毫瓦的能量输出。电磁感应原理研制的振动能量收集器，结构多样、工艺简单，与压电式能量收集器相比能得到更大的电流。电磁感应型能量收集器存在的主要问题是功率密度受到永磁体尺寸、线圈匝数以及工艺的限制，且输出电压较低，需要专门的电压变换电路。尽管电磁感应型能量收集器存在这些固有缺陷，但随着工艺条件的进步以及新电磁能量变换结构的涌现，近年来，国际国内在振动能量收集方面开展了广泛的研究工作，该类型的能量收集器研究获得了较大的进展，并出现了成熟的商业化产品。

常见的RFID的天线大多呈平面环形或者平面螺旋形，且天线中心区域为空，未被利用。因此考虑在天线中心用非金属弹簧固定一个永磁体薄片，当天线震动的时候，永磁体薄片上下、前后左右运动，螺旋天线环路切割磁感线，产生低频交变电流，利用了简单的电磁感应现象。

由于单一的环境能量是有限的，比如单一的射频电磁波能量或者机械振动能量常常满足不了无线电子设备的供能需求；另外考虑到环境的多样性，工作在室内或者阴天下雨的时候，薄膜太阳能电池采集的能量将大大降低，所以需要采用混合能量收集系统为无线电子设备提供能源。将薄膜太阳能电池和天线做在一起，既不降低薄膜太阳能电池的效率，也不降低天线辐射效率，这个设想最早是1994年在美国航天器供能研究中提出的，在后来的研究中得到了进一步的发展。本发明将薄膜太阳能电池、振动能量收集器和微带接收天线都做在一起，使三种采集能量的模块可以同时工作也可以单一工作，三种能量转换效率不会相互干扰。有效的解决了低功耗无线电子设备在各种环境中工作时的供能问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体化混合环境能量收集装置，可实现无线传感网络、RFID等低功耗电子设备在多种环境中的供能，以摆脱电池的束缚。本发明成本低、体积小、便于携带，而且适于大规模的应用。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种一体化混合环境能量收集装置，其特征在于包括：平面方形螺旋整流天线、薄膜太阳能电池和永磁体薄片；薄膜太阳能电池覆盖于中空的方形环状双层PCB板上；永磁体薄片位于所述中空位置，并通过非金属弹性部件在四方向与双层PCB板连接；永磁体薄片的尺寸小于中空尺寸；所述平面方形螺旋整流天线包括微带接收天线和与微带接收天线相连的宽带整流升压电路组成；微带接收天线为平面方形螺旋微带线，由附于PCB板顶层的铜层构成；PCB板底层的铜层为地平面；微带接收天线工作频率在2.4-2.5 GHz；