一种面向人体应用的热电能量收集系统的研究

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随着传感器技术、嵌入式计算机技术、无线通信技术的快速发展,无线传感器网络(WSN)得到了广泛应用。传统电源已无法满足无线传感器网络应用的要求,因此俘获环境能量并将其转换为电能为无线传感器供电成为传统电源的一种替代方案受到越来越多的关注。过去十年利用热电元件从热量中俘获能量成为研究的热点。热电元件将温差形式的热能转换为电能,反之亦然。热电涉及的基本物理过程是塞贝克效应。塞贝克效应是指当两种不同金属的节点处存在温差时,就会产生电动势。热电元件主要有三个优点:不需要人工干预;没有运动的机械部件所以高度可靠和安静;材料绿色环保。对于便携式电子设备,人体产生的热是一个潜在的能量源,可以收集这部分能量为穿戴式电子设备供电。有研究表明通过热电元件收集人体皮肤的热能可以产生100uW的能量。本文提出了一种基于人体的热电能量收集系统。该系统是基于带有自启动能力的两级升压方案。在升压转换器中采用基于开路电压的最大功率点跟踪技术实现高效率。实验结果表明本文提出的能量收集系统能够在外界环境温度低于26℃,风速大于1.2m/s情况下从人体收集能量为控制器和无线传感器网络供电。TEG开路电压75mV,输入功率88.9uW时能量收集系统和无线传感器网络刚好能自主自给。自启动模块能够在输入电压低至20mV的情况下完成系统的自启动。能量收集系统采用低功耗设计,尽可能的降低系统的静态消耗功率,在能量收集效率和自启动能力相比商业化的热电升压系统更具优势。
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