电源和能量储存技术演示课件

.,第四章 物联网关键技术 电源和能量储存技术,.,学习任务,Click to add title in here,感知技术标识技术通信技术网络技术网络定位技术应用服务技术安全与隐私技术硬件技术电源和能量存储技术,.,学习任务,能源采集转换技术,能量储存（电池）技术,无线供电技术,Click to add title in here,1,2,3,本节主要涉及：,.,电源和能量储存技术,在物联网的能源技术研究内容中：首当其冲的是能量存储技术。从现在的情况看，能量存储已经成为电子设备小型化以及精巧化过程中最受重视的技术障碍之一。当今的嵌入式无线技术，例如无线传感器网络以及主动式RFID标签，都在忍受着笨重的大容量电池组所带来的负担，并且在容忍着短暂生命周期内频繁充电或者频繁更换电池所带来的种种尴尬。,.,电源和能量储存技术,未来的物联网要想成功的实现让真正的嵌入式、数字化物品参与其中，就必须在微型高容量能量存储技术上取得突破。而从实现方式上，一种解决方案就是跳过存储能量的诸多问题，直接从环境中汲取能源，从而使物品的电池可以更加小巧，并且有能力进行自动的充电行为。,.,电源和能量储存技术,在能源技术领域的道路还很漫长。不过，今天的工作正为我们明确前进的方向：首先，能量采集技术应该不仅仅局限在原有的能量源上，像震动、太阳辐射、热能等等，都应该成为我们接下来尝试的方向。其次，微型发电技术将成为我们下一个新兴的能源技术领域，将为下一代物联网设备提供全新的发展机遇。,.,一、 能源采集转换技术,从广义上讲，采集能源包括各种来源，比如:动能（风、波、重力、振动等）电磁能（光伏、电磁波）热能（太阳热能、地热、温度变化、燃烧等）原子能（原子核能、放射性衰变等）生物能（生物燃料、生物质能等）,.,4.1.1 能源采集,（1）从体热采集能量：典型的能源采集系统包括众多组件，如转换、薄膜电池中的暂存器、大量复杂的能源管理电路、模拟转换器以及超低功耗微处理器 (MCU)。 （2）太阳能光伏收集：采用大型太阳能电池板进行。每 100 平方毫米光伏电池可产生大约 1 MW 电能。能源效率约为 10%，容量比约为 15% 20%。,.,4.1.1 能源采集,（3）动能收集系统：可产生毫瓦级的电能。基本动能收集技术包括： 一个弹簧上的物体； 将线性运动转换为旋转运动的设备； 压电电池。（4）热电收集技术：使用赛贝克 (Seebeck) 效应，即在两个金属或半导体之间存在温差的情况下而产生电压。 热电发电机 (TEG) 由热并联与电串联的热电堆构成。,.,4.1.2 光伏技术,太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着将太阳光直接转换成电能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。将光能直接转换成电能的过程确切地说应叫光伏效应。不需要借助其它任何机械部件，光线中的能量被半导体器件的电子获得，于是就产生了电能。这种把光能转换成为电能的能量转换器，就是太阳能电池。,.,4.1.2 光伏技术,太阳能电池的主要材料是高纯硅，是经过特殊的提纯处理制作。太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射，能够把光能转变为电能，使电流从一方流向另一方，一般就可发出相当于所接收光能1020% 的电来。一般光线越强，产生的电能就越多。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射，将光能转变为电能，一般在它的上面都蒙上一层防止光反射的膜，使太阳能板的表面呈紫色。,.,4.1.3 生物发电,生物发电就是人类利用能够产生强生物电的生物，并收集、转化利用其产生的生物电的一种发电方式。,生物发电原理,.,4.1.3 生物发电,生物质能是植物通过光合作用生成的有机物，包括植物、动物排泄物，垃圾及有机废水等，是生物质能的载体，是唯一的可储存和可运输的可再生能源。生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重要地位采用新技术生产的各种生物质替代燃料，主要用于生活、供热和发电等方面。,.,4.1.4 压电技术,说到压电发电技术，我们先要回溯到1880年。当年居里兄弟在石英晶体中发现：晶体受到机械应力的作用时，其表面会产生电荷；反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生形变。前者被命名为正压电效应，后者则被称之为逆压电效应。,.,4.1.4 压电技术,压电发电正是这样一种技术利用压电材料的正压电效应将机械振动能转变为电能从而将如人体走路的踩踏、机械振动，甚至噪音等形式的振动能量收集起来，经过能量转换-整流-存储-供电等诸多环节，应用于生活。这种能量收集系统帮助我们利用曾被白白耗费的能源。,.,4.1.4 压电技术,我们把根据压电效应制作出的材料叫压电陶瓷根据压电谐振效应可以制作出石英谐振器，这种谐振器因具有极高的品质因数和极高的稳定性。已经被应用于对讲机，电子手表、电视机、电子仪器等产品中作压控振荡器使用。用石英谐振器来控制振荡频率的振荡器称为晶体振荡器，它的频率稳定度可达到10 数量级。,.,4.1.4 压电技术,2010年上海世博会上，日本馆展示了压电发电地板，参观者轻轻几步就可将电灯点亮. 发电公路： （1）日本的NEC等公司联合开发了新型发光道路标识，在公路下埋有压电发电装置，使其驱动LED发光指示牌，基本达到可自供电的实用水平。 （2）以色列技术研究院也在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体，通过汽车驶过时的压电转换来发电。据测算，1公里的路面能产生约100400千瓦的电力。,.,4.1.4 压电技术,此外，为了提高能量获得效率，研发人员一般在设计时将压电、热电、光伏等多种能量同时收集利用。发电行囊：如美国军方正在开发一种士兵边行军边发电的装置。士兵们可对所携带的电子设备进行自助供电，从而不必携带重达10公斤的储能电池，大幅度减少行军负重。,.,4.1.5 能量转换装置,能量即不能产生也不能消失，能量转换是指从一种形式转化为另一种形式或是从一个物体转移到另一个物体。不论什么时候，一个地方或一种形式的能量减少了，另一个地方或另一种形式就会增加同样数量的能量。,.,4.1.5 能量转换装置,所有这些形式的重要意义在于其能量是相等的，也就是说一种形式的能量可以转变成另一种形式。宇宙中发生的绝大部分事件，例如，恒星的崩溃和爆炸、生物的生长和毁灭、机器和计算机的操作中都包括能量由一种形式转化为另一种形式。,.,4.1.5 能量转换装置, 电能转化热能一般通过热电阻或热辐射，例如家用的电热炉，是在热阻丝内通过大量电流使热阻丝产生大量热能，通过热辐射传导给周围环境。也可以通过微波装置，使电能转化成微波，通过直接的热辐射转为热能,.,4.1.5 能量转换装置, 热能转化电能至今为止，人们还没想出很有效率的方法可以让热能直接转化为电能，似乎人们只发明了电能和机械能转化的装置，所以，如果想任何形式能量转换为电能，必须先转换为机械能。,.,4.1.5 能量转换装置, 机械能转化电能通过切割电磁圈的磁感线，可以使机械能转化为电能。在电机中，机械能和电能可以互逆转换。 电能转化机械能借助电磁感应效应，人们设计了电机，可以使电能轻松转化为机械能。在电机中，电能和机械能可以互逆转换。,.,4.1.5 能量转换装置,光能转化电能可以通过光电效应使光照射在金属表面而辐射出电子，通过这种方法，人们设计了太阳能板，太阳能板是通过阳光照射硅晶体的PN结产生空穴电压产生电能的，光能就是最受关注的清洁能源之一。 光能转化热能光能在照射到物体时，自然就会伴随热能的传导，但不同波段的光波导热能力不同。,.,4.1.5 能量转换装置,化学能转化电能通过化学反应使得正电子和负电子分别在阳极和阴极汇聚，其实这也是电池的充电过程。化学能转化热能可以通过核裂变使得熵值大量增加，进而产生大量热能传导出去。在核裂变过程中，不仅产生大量热能，还产生大量光能及机械能等。还有一种方法就是通过可燃物的燃烧，伴随着光能的同时也产生大量热能。,.,4.1.5 能量转换装置,热能转化机械能至今人们想到的最好方法，只有通过加热水进而通过水蒸气驱动机械做功，自从瓦特发明蒸汽机以来，人们一直沿用这个方法进行转换。 机械能转化热能机械做功摩擦可以产生热能，但一般效率不高，而且在实际应用中无法通过这样的转化大量提供热能，只作为机械能的能量损耗而已。,.,4.2.1 薄膜电池4.2.2 锂离子电池4.2.3 印刷电池4.2.4 光电池,二、能量储存（电池）技术,.,4.2.1 薄膜电池,薄膜电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池，其用硅量极少，更容易降低成本，目前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有3种：硅基薄膜太阳能电池铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe）,.,4.2.1 薄膜电池,（1）薄膜电池发电原理薄膜电池发电原理与晶硅相似，当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生“光生电子空穴对”在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到P 侧，电子漂移到N 侧，形成光生电动势，外电路接通时，产生电流。,.,4.2.1 薄膜电池,（2） 薄膜电池的优点 （1）成本低 （2）弱光性好 （3）适合与建筑结合的光伏发电组件(BIPV) （3）薄膜电池的缺点 （1）效率低 （2）稳定性差 （3）相同的输出电量所需太阳能电池面积增加,.,4.2.1 薄膜电池,（4）发展趋势近年来,业界对以薄膜取代硅晶制造太阳能电池在技术上已有足够的把握。日本产业技术综合研究所于去年2月已经研制出目前世界上太阳能转换率最高的有机薄膜太阳能电池，其转换率已达到现有有机薄膜太阳能电池的4倍。,.,4.2.2 锂离子电池,锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。,锂离子电池原理结构,.,4.2.2 锂离子电池,1. 锂系电池概述 锂系电池分为锂电池和锂离子电池。目前手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，每月在2%以下。没有记忆效应。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。,.,4.2.2 锂离子电池,2. 作用机理锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。,.,4.2.2 锂离子电池,在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。,.,4.2.2 锂离子电池,3. 锂离子电池的主要优点： 1）电压高 2） 比能量大 3）循环寿命长 4）安全性能好： 无公害，无记忆效应 5）自放电小 6) 可快速充放电 7) 工作温度范围高,.,4.2.2 锂离子电池,4. 新发展 聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。,.,4.2.2 锂离子电池, 动力锂离子电池动力锂离子电池指容量在3AH以上的锂离子电池。根据内部材料的不同，相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种。 动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。（1）高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；（2）高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。,.,4.2.2 锂离子电池, 高性能锂电池为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。,.,4.2.3 印刷电池,研究人员通过利用纳米技术将普通锂离子电池缩小并封闭到一张纤维素纸张上，采用丝网印刷方式生产，类似于制造T恤衫。单层比头发丝还薄。印刷电池与普通电池有很大的不同。由于其轻薄的特性，可以将其嵌入银行卡。电池不含有汞，十分环保。,.,4.2.3 印刷电池,薄膜和印刷电池灵活的形状和超低的重量将使这种新功能广泛应用于智能卡、RFID和传感器等电子产品中，提高这些产品的有用性和市场规模。其电压为1.5伏，属于正常电压范围。可以将电池堆叠起来提高电压，得到3伏、 4.5伏和6伏的电池，为任何电子产品提供电能。,.,4.2.4 光电池, 晶体硅光电池晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结而制作成的，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。采用埋层电极、表面钝化、强化陷光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反射膜、 凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。,.,4.2.4 光电池, 非晶硅光电池a-Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成。由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1m厚的薄膜，易于大面积化（0.5m1.0m），成本较低，多采用pin结构。其商品化产量连续增长，全球市场用量每月在1千万片左右，居薄膜电池首位。,.,4.2.4 光电池, 多晶硅光电池p-Si（多晶硅，包括微晶）光电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。在单晶硅衬底上用液相外延制备的p-Si光电池转换效率为15.3%，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7%.,.,4.2.4 光电池,铜铟硒光电池CIS（铜铟硒）薄膜光电池已成为国际光伏界研究开发的热门课题，它具有转换效率高（已达到17.7%），性能稳定，制造成本低的特点。CIS光电池一般是在玻璃或其它廉价衬底上分别沉积多层膜而构成的，厚度可做到2-3m，吸收层CIS膜对电池性能起着决定性作用。,.,4.2.4 光电池, 碲化镉光电池CdTe（碲化镉）也很适合制作薄膜光电池，其理论转换效率达30%，是非常理想的光伏材料。可采用升华法、电沉积、喷涂、丝网印刷等10种较简便的加工技术，在低衬底温度下制造出效率4%以上的CdTe光电池，小面积CdTe光电池的国际先进水平光电转换率为15.8%.,.,三、 无线供电技术,4.3.1 无线供电技术实验经过多年研究，科学家们认为进行无线电力传输是可能的，马林-索尔贾希克教授提出了电磁共振这个概念，他认为当物体间以相同频率共振时，就有可能有效实现无线能量传输。,.,4.3.1 无线供电技术实验,美国麻省理工学院的科学家们最近完成了一项实验，使用两个相距2米的铜线圈，让其中一个传输能量，另一个则接收能量,成功地通过无线电力传输点亮了一个功率为60瓦的电灯泡，并为这种技术取名为无线电力（WiTricity）。,.,4.3.1 无线供电技术实验,电磁共振的原理类似声波共振的原理，即如果两种介质具有相同的共振频率，就可以用来传递能量。WiTricity的技术就是采用了电磁共振的原理。他们称之为非辐射性电磁共振。,.,4.3.2 短距离无线供电方案,1. 电磁波方案 电磁波，俗称无线电波是人们非常熟悉的一个概念。正是由于它的发现，才奠定了广播、电视和现代通信技术的基础。电磁波不仅能传输信号，它也能传输电能。可为各种电子产品充电或供电，包括耗电量相对较低的电子产品，诸如手机、MP3随身听、温度传感器、助听器，甚至汽车零部件和医疗仪器。,.,4.3.2 短距离无线供电方案,整个系统基本上包含了两个部件，称为Power Caster的发射器模块和称为Powerharvester的接收器模块，前者可插入在插座上，后者则嵌入在电子产品上。发送器发射安全的低频电磁波，接收器接收发射频率的电磁波，据称约有70%的电磁信号能量转换为直流电能。,.,4.3.2 短距离无线供电方案,Powercast 系统图,.,4.3.2 短距离无线供电方案,2. 磁耦合方案 电磁感应是一项基本原理，交流电源中一个重要部件变压器就是利用它工作的，变压器由一个磁芯和二个线圈，即初级线圈与次级线圈组成。当初级线圈两端加上一个交变电压时，磁芯中就会产生一个交变磁场，从而在次级线圈上感应一个相同频率的交流电压，电能就从输入电路传输至输出电路。,.,4.3.2 短距离无线供电方案,对无线供电或充电的装置而言，其初级线圈与次级线圈处于两个分离的各自部件中，因而线圈间的耦合是比较松散的。最早使用电磁感应原理的是电动牙刷。电动牙刷经常接触水，不采用直接充电方案，在充电座和牙刷中各有一个线圈，当牙刷放在充电座上时就有磁耦合作用，类似一个变压器，感应电压整流后就可对镍镉电池充电，整个电路消耗功率约3W。,.,4.3.2 短距离无线供电方案,电动牙刷,.,4.3.2 短距离无线供电方案,日本东京大学的教授们设计了一种塑料薄膜电源，很有创意，用途也十分广泛。例如，可将它铺在地板上或桌子上，或嵌入在墙壁上，为圣诞树上发光二极管、装饰灯供电，为鱼缸水中灯泡或小型电机供电。,.,4.3.2 短距离无线供电方案,薄膜电源由四层塑料薄膜组成：最低一层是电导可控的有机晶体管上面是感测兼容电子设备接近的铜线圈再上