能量收集使用自然產生的能量來擴展可用功率，使其超出有限能源（例如電池）可以提供的限制。這種方法提高了能源的整體效率，延長了充電間隔時間，并提高了不可靠的可再生能源的設備性能。向更可持續的解決方案邁進，促使設計工程師超越這些有限的能源，轉向完全可再生的解決方案：太陽能電池。也稱為光伏 (PV) 電池，這些設備通過光伏效應一步將太陽的輻射能轉化為可用的電能。這種效應接觸帶正電和帶負電的硅以產生電場。

這些獨立的微型發電機專門為本地負載供電，以減少對電網系統的需求，同時也減少業主的水電費。太陽能電池的應用包括“離網”家庭和較小的負載，例如路邊電子標牌和物聯網設備（包括傳感器和執行器），它們可以遠程安裝和無線連接。由于太陽能電池的能源是免費的，這種能源的理想狀態是“安裝即忘”，將太陽作為一個無限的能源庫。然而，工程師必須克服幾個挑戰才能在物聯網中實現這種方法。

最直接的挑戰是能源能否平衡各種使用條件下的需求。短程和遠程物聯網傳感器平均需要 7 到 16.4uA的能量。設計工程師針對給定的能源優化 PV 電池，并添加電容器以減少對輔助電源或完全橋暗期的依賴。電容器又被優化以最小化泄漏電流。并且設計還需要一個傳感器接口來采樣數據、存儲和傳輸信息。

幸運的是，創新的產品解決方案和對挑戰細節的基本了解可以解決這些問題。

克服挑戰

DC-DC 轉換器從光伏陣列接收電力，并產生可用于為小型太陽能微型發電機中的設備供電的電力。兩個關鍵性能指標是高能效和電能質量。這些指標是必不可少的，因為用戶希望小型設備能夠提供一致的性能。然而，提供給光伏電池的太陽能的可變性給自持光伏物聯網傳感器帶來了三個主要挑戰：

光伏輻射輸入能量不足

通過電容器有限的存儲和驅動能力

通過傳感器采樣、數據存儲或傳輸設備過于頻繁地出現過大的峰值電流

其他挑戰包括溫度限制、不合適的電壓、轉換損耗、錯誤時間的能量放電以及傳感器的老化/退化。由于存在這些低效和損耗，電源不穩定并且可能包含下垂或紋波。

此外，太陽能僅在一天中的部分時間供應，并以不同的強度進入光伏電池。這些不一致進一步降低了物聯網設備的性能質量。低輸入能量或持續輸入能量加上有限的存儲和過大的峰值電流帶來的挑戰需要備用解決方案來平衡能量負載。

集成能量收集存儲解決方案

光伏能量收集器可以使用先進的超級電容器（如Hybrid Storage 196 HVC ENYCAP ?電容器）提供這種關鍵的備用/增強電源。ENYCAP 是一種混合存儲設備，這意味著它可以存儲可以提供備用電源的靜電和電化學能量。ENYCAP 具有從單節電池 1.4V 到多節電池 8.4V 的強大電壓靈活性，可提供徑向（堆疊通孔）、平面貼裝或平放方向。

它采用高電容極化并提供 13Ws/g 的高能量密度以最大限度地減少封裝空間。該電容器還可在 85°C 下運行長達 1000 小時，無需維護或維修。此外，196 HVC ENYCAP 不需要電池平衡，與傳統超級電容器相比具有節省時間的優勢，并且它包含無害電解液。與現有的市場超級電容器相比，它還表現出較低的自放電。

196 HVC ENYCAP 不僅僅是一款適合能量收集的傳統電容器。它是一種混合儲能電容器，是小型系統、內存控制器、SRAM/DRAM、高速緩存保護、工業 PC/控制、應急燈和微型 UPS 電源等應用的備用系統。

在上述物聯網傳感器應用中，ENYCAP 可以提供高達 2mA 的收集功率和超低泄漏。此性能水平可最大限度地減少反向電流以提高性能和效率。

結論

鑒于可再生太陽能在消費電子和工業電子產品中的市場份額不斷增長，設備制造商必須確保其產品始終如一地提供高性能。此外，設計人員需要考慮可再生能源的可變性及其免費、近乎無限供應的主要優勢。結合 Vishay 196 HVC ENYCAP 混合存儲電容器等能量收集使能器，可提供高性能混合存儲解決方案和太陽能電池備份。

作者

Adam Kimmel 作為執業工程師、研發經理和工程內容撰寫人擁有近 20 年的經驗。他在垂直市場（包括汽車、工業/制造、技術和電子）中創建白皮書、網站副本、案例研究和博客文章。Adam 擁有化學和機械工程學位，是工程和技術內容寫作公司 ASK Consulting Solutions, LLC 的創始人和負責人。

審核編輯黃昊宇