能量收集和储能技术研究及装置设计(2)

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6．1 总体装置负载测试 28

6．2 应用测试 29

结论 31

致谢 32

参考文献 33

附录 34

1 绪论

1．1 研究背景

随着科学技术的迅速发展，很多微型系统，如无线传感器、微功率工业检测和控制器、微小信息及通讯装置在民用与军事上正在或将得到广泛应用。由于这些微型系统往往分布在广阔区域、长期工作，故需要能长期供电的微小能源。有线供电方式不可行，传统的电池由于能量有限，需要频繁充电或更换(这既费时费力费钱，有时还难以实现)，故已不能满足这些微型系统的能源需求。因此，如何利用能量采集技术，从周围自然环境中的风、光、温度、振动等相对来说无穷尽的来源中获取能量，并转化为微型系统可以使用的电能，正成为研究的热点。

如能成功的使用环境所提供的能量来驱动电子设备，则可以大大降低设备的维护成本并大大增加电子设备的使用寿命。这对于一些在几乎无人踏足的地方工作的设备来说，意义重大。随着人类对整个世界的探索的深入，更多的未知区域需要大量的传感器等监测设备。这些设备的情况甚至可以通过自身的能量转换装置驱动信号收发装置，进一步实现网络化以及智能化，便于使用者对环境的监控与对设备的管理。当这些利用环境提供能量的设备广泛应用于各个领域时，必定能够在很多方面提高效率。并且这项技术能够减少电池的更换次数，甚至配合一些新型的储能方式的使用而减少甚至放弃对电池的依赖，也就减少了对环境的污染。

1．2 发展现状

1．2．1．热电转化

热电转化技术，主要是使用半导体的温差发电技术。温差发电技术是一种固态能量转换方式，能够直接将热能转化为电能。它具有无运动部件、体积小、质量轻、移动方便和可靠性高等特点，是绿色环保的发电技术。自从1821 年塞贝克效应被发现以来，温差发电技术的发展已经历了近两个世纪。但是直到20 世纪中期，随着半导体热电转换材料的出现，该技术才开始应用在地球卫星电力系统等尖端领域中。近年来，科技和制造业的进一步发展使得温差发电模块的成本大幅降低，为温差发电技术在工业和民用产业的应用提供了条件。目前，国内的相关研究主要集中在温差材料方面，目的是获得优值系数更高的温差材料，而对于实际完整结构的温差发电器工作性能方面的研究尚不深入[20]。根据发电器实际结构及尺寸建立了温差发电器热电耦合分析数学模型，通过理论及数值方法分析了温差发电器带负载工作的情况下出现最大输出功率时的负载与发电器内阻不一致的现象。而随着技术的发展，微型化的热电发生器已经开始崭露头角。通过对半导体的表面微加工，增加半导体的有效热接触面积，提高了热电的转化效率，也使得整个发电设备小型化成为可能。

1．2．2．光电转化

光电转化的技术已经比较成熟。光电池是在光线照射下,直接将光量转变为电动势的光学元件,它的工作原理是光生伏特效应。简称光伏效应。(光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴,并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能)在有光线作用时P N 结就相当于一个电压源。目前太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种[21]。单晶硅太阳能电池变换效率最高,已达20％以上,但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低,但价格最便宜,今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。