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用於能量收集的電解電容器和超級電容器的發展

用於能量收集的電解電容器和超級電容器的發展

專為能量收集應用而開發的電容器可改善各種類型和尺寸的設備,從直接供電的IoT設備到併網發電機。自開始以來,環境能量就一直存在於地球的生態系統中。 人類長期以來一直在尋找富有想像力的方法來利用它:在陽光下烘烤早期的建築材料,利用風的動能磨碎穀物並移動運輸。 隨著工業化的發展,使用化石燃料等能源滿足了按需增加功率的需求。現在,化石燃料的弊端變得越來越明顯,包括其有限的性質,有問題的排放,日益困難和昂貴的開採過程以及可能導致供應問題和價格波動的政治因素。 鐘擺向周圍擺動。
根據MarketWatch的數據,全球收集環境能源的市場在2019年至2025年期間將以11.2%的複合年增長率Compound annual growth rate (CAGR) 增長,達到9.34億美元。 (資料來源: Energy Harvesting Market : In-Depth Industry Analysis on Size, Cost Structure and Prominent Key Players Analysis)

今天的能量收集

自從環境能源最初的鼎盛時期以來,發生了一些變化,包括發現電力以及隨後開發加熱器和電動機以處理以前直接由太陽或風完成的工作。 還有將太陽能和風能轉換為電能的有效技術,包括光伏電池 (photovoltaic cells)的改進和寬帶隙功率半導體 (wide-bandgap power semiconductors) 技術的商業化可投入市場。 諸如各種類型的電容器和電池之類的經濟,高質量的存儲也至關重要,這有助於平衡能量流並確保按需可用性。伴隨著許多類型電氣設備功耗的普遍降低,這些因素共同使環境能量成為並網發電機、離網屬性或直接為設備供電,例如IoT傳感器和低壓燈光。
並網發電機的範圍很廣,從大型太陽能或風電場等公用事業級裝置到私人擁有的微型發電機。這些加在一起構成了分佈式基建,可通過增加常規裝機容量並幫助維持以前由大型集中化,包括化石燃料或核動力裝置獲得的穩定性來支持從化石燃料步向可再生能源的轉移。
專門為本地負載供電的孤島式微型發電機有助於減少對電網系統的需求,同時還可以減少大厦內業戶的水電費。應用不僅包括「離網」房屋,還包括較小的負載,例如路邊電子標牌和物聯網設備,或無線通訊設備。
利用環境能量為設備供電的機會很方便,不僅節省了公用事業成本,還節省了安裝電源線或派遣維護團隊定期更換電池的成本。此外,該設備還不受任何電網停電的影響。將電力的優勢帶到偏遠的農村地區也變得更加容易和更具成本效益。

能量捕獲和轉換

能量收集系統的基本組件包括能量轉換設備,例如光伏陣列或風力渦輪機,用於從周圍環境產生電能。 接下來的階段包括電源轉換,存儲和管理。 儲能設備(例如電池和電容器)對於系統的成功與否十分重要,是穩定電源質量和確保按需可用性所必需的。
在終端設備,連接的負載可以是小型設備(例如低能耗無線模塊),也可以是較大的負載(例如智能傳感器或控制和監視設備的網絡),或用於LED照明網絡的低壓DC配電總線。 。 圖1概括地說明了每個階段。

圖1 能量收集系統的關鍵功能模塊 (圖片來自KEMET ELECTRONICS CORPORATION)

例如,在小型太陽能微型發電機中,DC-DC轉換器從光伏陣列獲取電能並輸出可用於為設備供電的電能。高能效和電能質量(Energy density)是關鍵的系統性能指標,它可以最大程度地減少浪費的寶貴能源,並以正確的電壓和最小的跌落或波動為負載提供穩定的直流電源。

利用超級電容收集能量

作為電池的替代品,超級電容(Supercapacitor)可以提供諸如簡化的充電電路,明顯更長的循環壽命,更寬的工作溫度範圍以及在短時間內需要大功率負載的峰值放電速率等優點。相對於體積,電容值可能比傳統電容高幾個數量級,並且超級電容可以與電池結合使用,以結合兩種設備類型的最佳功能。
超級電容包含極性,可提供各種額定電壓。筆者在這裡介紹幾款超級電容,較易在市場找到及購買,是著名廠牌,品牌及貨期較易保證。 包括 KEMET FS系列,它們都能涵蓋5.5V DC至12V DC的額定值及超過1F電容量選擇,適用於備用和電機驅動應用。ELNA AMERICA DBJ 系列,它們集中於5.5VDC,亦有高至1F電容量,適用於電視機及電話裝置備用。AVX Corporation BestCap BZ系列額定值由3.6V至20V,1F電容量,用於GSM/GPRS PCMCIA Modems 備用。

結言

對於從低功率或遠程安裝的電子設備到低壓基礎設施,微型發電機和並網發電機的應用而言,收集環境能量是一種可行的解決方案。 能量收集系統中使用的組件的許多方面已得到改進,以滿足應用的特定要求,包括用於高速能量傳輸的堅固而高效的超級電容器以及用於穩定直流功率傳輸的長壽命電解電容器。
(歡迎轉載,請註明出處。)

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