Sehr geringer Stromverbrauch: Die energieeffizienteste Art, Ladung über Stunden zu speichern

Ich untersuche die Machbarkeit eines Kunstprojekts, bei dem HF-Energie aus der Umgebung in einer Stadt aufgenommen wird (Energy Harvesting) und dann ein 1-Sekunden-Soundclip über einen Lautsprecher abgespielt wird, sobald genügend gespeicherte Energie dafür vorhanden ist. Es wird keine andere Energiequelle geben – keine Solarenergie, nichts, nur HF-Ernte aus der Umgebung.

Es sieht so aus, als würde mir die HF-Ernte etwa 10 Mikrowatt bringen. Und mein 1-Sekunden-Soundclip, der mit einem effizienten Verstärker in menschlicher Lautstärke abgespielt wird, sollte etwa 10 Mikrowattstunden benötigen. Ich müsste also eine Art Batterie oder Kondensator etwa 1-5 Stunden lang mit 10 Mikrowatt aufladen und sie dann in 1 Sekunde entladen und wiederholen.

Was könnten angesichts dessen einige Optionen für Speichergeräte/Schaltkreise sein? Welches sind die effizientesten und ineffizientesten Setups für die angegebenen Parameter? Mit anderen Worten, gibt es eine Ladungsspeichertechnologie, die das obige Verhalten erreichen könnte?

Antworten (3)

Ein Kondensator mag der am wenigsten verlustbehaftete Speicher sein, ABER die benötigte Kondensatorgröße kann Sie überraschen.

Energie in einem Kondensator = C v 2 2 Energie, wenn ein Kondensator entladen wird v 1 Zu v 2 =
E = C ( v 1 2 − v 2 2 ) 2 Neuordnung C = 2 E v 1 2 − v 2 2 Stecken Sie einige erfundene Zahlen ein, um ein Gefühl für die Größen zu bekommen: Vmax = 5 V, Vmin = 3 V.
E = 10 µWh = 36000 µW Sekunden = 0,036 Wattsekunden = 0,036 Joule.

C = 2 E v 1 2 − v 2 2 = 2 ⋅ 3.6 ⋅ 10 − 2 5 2 − 3 2 = 7.2 ⋅ 10 − 4 16 = 4500 μF. Keramik- und die meisten Kunststoffkondensatoren sind wahrscheinlich verlustarm genug. Jeder Elektrolytkondensator neigt dazu, übermäßig verlustbehaftet zu sein.
4500 uF ist ein immens großer Wert für einen Nicht-Elektrolytkondensator.

Die Lagerung bei höherer Spannung verringert die erforderliche Kapazität um das Quadrat der Spannung. zB bei 50 V braucht man ≈ 47 µF oder weniger

Ich würde jedoch zumindest einen Batteriespeicher in Betracht ziehen. Es ist möglich, dass ein kleiner Lithium-Ionen-Akku die Arbeit erledigt. Wenn Sie wollen, sagen Sie 36 mJ in 1 Sekunde 0,036 ⋅ 3600 W ≈ 130 W!!!. Das ist VIEL mehr, als Sie für die angegebene Anwendung benötigen.

E & OE - Einschlafen an der Tastatur (langer Tag mit 3 Stunden Schlaf) - Ich werde dies jetzt posten und die Zahlen später überprüfen und die Auswirkungen auf die Batterie untersuchen.

Gleich mehr ...

Das einzig mögliche (und in der Praxis oft verwendete) ist ein Kondensator. Sie benötigen einen Kondensator mit geringem Leckstrom und einer ausreichend großen Kapazität.

Sie müssen abschätzen, welche Kapazität ausreicht, und wenn sie bis zu mehreren zehn Mikrofarad beträgt, können Sie einige SMD-Keramikkondensatoren verwenden. Sie haben sehr wenig Leckage. Für höhere Kapazitäten sind Tantalkondensatoren geeignet.

Außerdem sollten einige Mikroleistungs-Schaltwandler so ausgelegt sein, dass sie die Spannung an vernünftige Werte anpassen. Ich habe irgendwo Resonanz-LC-Wandler gesehen, die mit einer 50-mV-Stromversorgung arbeiten können. (Sie benötigen dafür einige Ge BJTs)

Es sieht so aus, als würde mir die HF-Ernte etwa 10 Mikrowatt bringen

10 Mikrowatt empfangene Leistung über eine effiziente Antenne in eine 50-Ohm-Last bedeutet, dass die Spannung ist: -

v = 10 × 10 − 6 × 50 = 22 mV Effektivwert. Dieser kann eine Spitzenspannung von 32mV haben.

Mir ist noch kein Energiegewinnungsgerät begegnet, das bei weniger als 200 mV selbststarten kann - das ist fast zehnmal mehr als das, was Sie in Betracht ziehen. Vielleicht kennst du ein Gerät, das das kann?

Dafür sind Transformatoren da. Sogar ein einfaches Kristallradio funktioniert nach diesem Prinzip. Wenn ein Kristallradio nur 22 mV HF erzeugen würde, würde kein Signal jemals durch die Diode gelangen. Eine HF-Spule mit richtig abgestimmter Sekundärseite sollte in der Lage sein, etwas mehr als 22 mV auszugeben, natürlich bei einer höheren Impedanz als die Antenne.
@OlinLathrop in einer halbnahen bis idealen Situation würde ich Ihnen zustimmen, aber das OP schlägt vor, "Umgebungs-HF-Leistung aufzusaugen", und dies bedeutet einen breiten Bereich der Abstimmung über eine große Bandbreite und sich nicht auf einen bestimmten Bereich zu konzentrieren wo Es kann (oder auch nicht) HF-Energie geben, die es wert ist, gesammelt zu werden. Dies schließt die Abstimmung der Sekundärseite aus. Ich kann nicht ausschließen, dass das OP Richtantennen verwenden kann, um eine potenzielle HF-Energiequelle zu lokalisieren, aber das verfehlt irgendwie das Ziel in meinem Buch.
Zuerst würde ich den stärksten AM-Sender in der Gegend identifizieren und darauf einstellen. Zweitens können Sie, selbst wenn Sie nicht abstimmen, immer noch eine Empfangsspule verwenden, die wie ein Autotransformator funktioniert, genau wie Kristallradios.
@OlinLathrop Eine einzelne AM-Station hat eine sehr gute Chance zu arbeiten - wenn Sie ziemlich nah dran sind (maximal 10 km bei 1 MHz). Es muss ~ 1 Kilowatt ausstoßen und bei 10 km beträgt der Verbindungsverlust im freien Raum 32,45 dB + 20 log (F) dB + 20 log (D) dB, wobei F MHz und D km ist - das sind 52,45 dB Verlust von einem Signal von +60 dBm. +7dBm für den Empfang übrig lassen. Angesichts aller möglichen Probleme mit nicht freiem Speicherplatz werden Sie bei -13 dBm wahrscheinlich 20 dB niedriger sein. Das sind ungefähr 50 μ W und natürlich abstimmbar, weil es 1 Frequenz (+ Seitenbänder) ist. Sie erhalten wahrscheinlich eine 10:1-Abstimmungsspitze, wenn die Volt von 50 mV auf 500 mV eff. Machbar!
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