CN110854506A - 能量收集装置、组串、系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能量收集领域，具体涉及一种能量收集装置、组串、系统，本发明装置包括天线单元、匹配电路、整流电路、储能单元；所述天线单元包括第一导电面、第二导电面、隔离板；所述第二导电面接地；所述第一导电面用于人体站立，以形成单极子天线；所述隔离板设置于所述一导电面和第二导电面之间将两个导电面隔离以形成馈电端口；所述天线单元的馈电端口与所述匹配电路电连接；所述匹配电路与所述整流电路电连接；所述整流电路与所述储能单元电连接。本发明可以有效的在人体站立在隔离板上后，形成单极子天线，进而稳定的收集能量。

Description

能量收集装置、组串、系统
技术领域
本发明属于能量收集领域，具体涉及一种能量收集装置、组串、系统。
背景技术
物联网发展已经成为最具潜力、盈利最丰厚的市场机遇。未来几乎每一台设备都会连接到互联网。理想状态下，这些设备将连接至无线网络并拥有较长的使用寿命。采用传统的电池供电方式，会面临更换电池频繁、充电困难等问题。
为了取代需要频繁更换或充电的电池设备，环保、无需频繁更换的无线自供能装置成为学术界、工业界研究开发的重点方向。无线供电方式通过收集外界的能量，如热能、太阳能、射频能量、人体动能等，然后将其转换为电能给设备进行供电。虽然无线供电装置去掉了频繁更换电池或频繁充电的操作，但其仍然存在一些问题。比如说热能供电装置需要构建温度梯度足够大的环境以及大体积的设备来获得可观的能量；太阳能的能量收集需要暴露在阳光下，而且能量并不是连续的；人体动能能量收集则需要人体有意识地运动且能量输出不稳定；环境中的射频能量对距离敏感，需要在发射源覆盖的范围内。除此之外，现有的能量收集方式往往需要设计特定的天线或太阳能板来收集能量，结构复杂，增加了设计周期和设计成本，且受环境影响因素大，稳定性差。对此，我们提出了一种无需设计天线，利用人体本身作为单极子天线的能量收集装置，以降低设计周期和成本、简化结构、提高能量收集的稳定性。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有能量收集装置的结构复杂和稳定性差的问题，本发明的一方面提出了一种能量收集装置，所述能量收集装置包括天线单元、匹配电路、整流电路、储能单元；
所述天线单元包括第一导电面、第二导电面、隔离板；所述第二导电面接地；所述第一导电面用于人体站立，以形成单极子天线；所述隔离板设置于所述一导电面和第二导电面之间将两个导电面隔离以形成馈电端口；
所述天线单元的馈电端口与所述匹配电路电连接；
所述匹配电路与所述整流电路电连接；
所述整流电路与所述储能单元电连接。
在一些优选实施例中，所述天线单元中隔离板的选定参数基于优化系统获取；所述优化系统包括用于获取于所述天线单元接收功率的接收功率计算单元；
所述隔离板的选定参数包括材质、面积、厚度；
所述隔离板的选定参数的获取方法为：基于预设的参数库，分别获取参数库各组参数对应的隔离板构成的天线单元的接收功率，将接收功率最大的一组参数作为选定参数。
在一些优选实施例中，所述接收功率计算单元为电池供电式的频谱分析仪。
在一些优选实施例中，所述匹配电路基于所述天线单元的输入阻抗设计。
在一些优选实施例中，所述天线单元的输入阻抗基于所述天线单元的反射系数计算获取。
在一些优选实施例中，所述反射系数基于电池供电式的矢量网络分析仪对所述天线单元进行测量获取。
在一些优选实施例中，所述整流电路为倍压整流电路。
在一些优选实施例中，所述储能单元为电容和/或蓄电池。
本发明的第二方面，提出了一种能量收集装置组串，包括多个上述的能量收集装置；所述能量收集装置的输出端并联或串联后输出电能。
本发明的第三方面，提出了一种能量收集系统，其特征在于，包括一个以上前述的能量收集装置和/或一个以上前述的能量收集装置组串。
本发明的有益效果：
通过本发明，可以有效的在人体站立在隔离板上后，形成单极子天线，进而可以稳定的收集能量，实现了一种新的能量收集方法。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一种实施例的能量收集装置框架示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的一种能量收集装置，其特征在于，所述能量收集装置包括天线单元、匹配电路、整流电路、储能单元；
所述天线单元包括第一导电面、第二导电面、隔离板；所述第二导电面接地；所述第一导电面用于人体站立，以形成单极子天线；所述隔离板设置于所述一导电面和第二导电面之间将两个导电面隔离以形成馈电端口；所述天线单元的馈电端口与所述匹配电路电连接；所述匹配电路与所述整流电路电连接；所述整流电路与所述储能单元电连接。
匹配电路基于所述天线单元的输入阻抗设计；天线单元的输入阻抗基于所述天线单元的反射系数计算获取；反射系数基于电池供电式的矢量网络分析仪对所述天线单元进行测量获取。
整流电路为倍压整流电路。
储能单元为电容和/或蓄电池和/或超级电容。
本实施例汇总，在人体站立于第一导电面状态下，人体与天线单元构成人体天线，人体天线后接匹配电路，匹配电路可以根据人体天线仿真/测量的输入阻抗设计，以减小信号的反射；匹配电路后接整流电路，整流电路采用二极管、电容等组成的倍压整流的结构，用于实现高电压的输出；匹配电路后接储能单元，储能单元采用电容等储能器件，用来实现能量的存储，给设备进行供电。本实施例的能量收集装置是利用人体作为天线进行能量收集的装置，即把人体作为一种单极子天线，收集外界环境中的电磁能量，并将其转换为直流电给无线设备进行供电。
本实施例中，匹配电路的设计可以先在ADS等仿真软件中进行设计验证，再根据仿真得到的结果搭建测试电路根据实测结果进行调整。
单极子天线是由一个直立的振子放置在一个接地平面上构成，也叫垂直接地振子。它的馈电端口是在棒状导体下端和接地平面之间，馈线的接地导体与天线的接地平面相连接。长度为H的单极子天线与其镜像构成一个长度为2H的偶极子天线，而偶极子天线的总长度一般近似为半波长，所以单极子天线的总长度为1/4波长。当人体直立站在一个导电平面上放置的绝缘隔离板上时，其整个系统可以等效为一个单极子天线。此时，人体等效为一个直立的圆柱形导体，人体站立的导电平面作为接地平面，与单极子天线的构成因素相符。由于单极子天线的总长度为1/4波长，所以人体可以等效为波长为4倍人体高度的单极子天线，简称人体天线。人体天线的性能受隔离板、人体等因素的影响，因此需要根据仿真和测试的方法来优化人体天线的参数。
天线单元中隔离板的参数(包括材质、面积、厚度)直接影响人体天线的接收功率，天线单元中隔离板的选定参数基于优化系统获取；所述优化系统包括用于获取于所述天线单元接收功率的接收功率计算单元；所述隔离板的选定参数包括材质、面积、厚度；所述隔离板的选定参数的获取方法为：基于预设的参数库，分别获取参数库各组参数对应的隔离板构成的天线单元的接收功率，将接收功率最大的一组参数作为选定参数。本实施例中，接收功率计算单元可以为电池供电式的频谱分析仪，还可以为其他功率获取设备。
为了获取最优的参数，本实施例中通过仿真、测试等方法进行参数的选择优化，获取最终的选定参数。
1、仿真测试
在电磁仿真软件中搭建人体天线的仿真平台，然后基于该仿真平台对人体天线的性能进行优化设计。
步骤S101，在仿真平台中搭建人体模型、隔离板和导电地平面。
人体模型由胳膊、胸腔、腹部和腿四部分构成，四肢分别由皮肤层、脂肪层、肌肉层、骨密质层和骨髓层组成，躯干则主要由皮肤层、脂肪层、肌肉层以及心脏层四个部分组成，导入各组织层的导电率和相对介电常数。每个组织层的厚度可通过测试仪器对样本人体测量后得到。
步骤S102，将所建立的人体模型设置在一个隔离板上，隔离板下方设置一个导电平面，隔离板的上平面和下平面之间构成一个测试端口。
人体模型站立在一个隔离板上，隔离板的作用主要是将腿和导电地平面隔离，形成馈电端口。隔离板的下方设置一个导电平面用作地平面。仿真端口加在隔离板的上平面和下平面之间，设置仿真频率，仿真人体天线的性能。
步骤S103，改变隔离板的材质、面积、厚度等因素，仿真隔离板对人体天线参数的影响，从中选取最优的隔离板；并获取隔离板各参数与人体天线接收功率的关系。
隔离板的寄生阻抗会影响人体天线的性能，所以隔离板的材质、面积、厚度等因素进行优化设计。针对隔离板材质的影响，在仿真中选取不同材质的隔离板，隔离板的尺寸不变；为探究隔离板厚度的影响，仿真中将隔离板的材质固定，改变隔离板的厚度；针对隔离板面积的影响，则是将隔离板的长度、厚度、材质固定，调整隔离板的宽度。根据仿真结果发现，隔离板的寄生电容ε0εrS/d越小(ε0为真空中的介电常数，εr为隔离板材质的相对介电常数值，S为隔离板表面积，d为隔离板厚度)，人体天线的匹配性越好，即为提高人体天线的匹配性，需要相对介电常数小，面积小，厚度大的隔离板。
步骤S104，改变人体模型的高度、姿势等因素，仿真人体本身对人体天线参数的影响。
人体天线的性能与人体的高度、姿势等因素有关。为探究人体高度的影响，在仿真中分别将胳膊的长度以及胸腔、腹部和腿的高度同比例的缩放，仿真人体天线的性能。为仿真人体姿势对人体天线性能的影响，在仿真中保持人体模型中的胸腔、腹部和腿三部分不变，将胳膊模型分别设置为上举、张开和垂下三种姿势。
步骤S105，根据仿真平台测得的人体天线的参数，结合外界环境中的电场强度值计算人体天线所能接收到的最大功率。
根据仿真得到的人体天线参数，评估人体天线所能接收的能量。当入射波与接收天线最大方向性对准且极化匹配时，最大接收功率Pr可以根据公式计算得到。其中Ein是外界环境中的电场强度值，η0是空间中的波阻抗，λ是天线的波长，Greal是预设的天线匹配性后的实际增益(本实施例中可以仿真得到数值)。根据该公式可以计算出不同频率下不同隔离板参数、不同人体高度以及不同人体姿势所对应的人体天线所能接收到的最大功率，并从中选取最优的人体天线参数(隔离板参数、人体身高、人体姿态)。
本实施例中用过步骤S103即可获取仿真环境下最优的隔离板参数，为了进一步得到人体的最优参数，以对参与人员进行姿态建议，可以通过步骤S104、步骤S105进行分析后得到人体的最优参数。
2、平台测试
根据仿真结果，搭建测试平台，验证人体天线在外界环境中所能接收到的能量，并根据测试结果调整人体天线参数。
步骤S201，被测对象站在一个绝缘的隔离板上，隔离板下方放置一个导电平面；为了使隔离板与人体脚部更好地接触，隔离板上表面覆盖一层导电面。
步骤S202，基于预设的人体天线参数库、以及人体天线参数变化与接收功率的关系，改变人体天线参数。
步骤S203，采用电池供电式的矢量网络分析仪功能测试人体天线的反射系数。
步骤S204，采用电池供电式的频谱分析仪功能，测量人体天线接收到的功率。
本实施例中，步骤S202改变的人体天线参数为隔离板的材质、厚度、面积时，通过步骤S203、步骤S204记录隔离板参数对天线反射系数和接收功率的影响，以获取隔离板参数对人体天线性能的影响数据；步骤S202改变的人体天线参数为人体姿态时，通过步骤S203、步骤S204记录人体姿势对天线反射系数和接收功率的影响，以获取各姿态下的人体高度对天线性能的影响。
本实施例的步骤S203、步骤S204的测试中：(1)首先利用电池供电式的手持式矢量网络分析仪功能测试人体天线的反射系数。将同轴电缆线一端的内导体连接到隔离板上方的导电面，外导体连接到隔离板下方的导电面，电缆线的另一端则连接到测试仪器的输出端口上。测试之前，需要对矢量网络分析仪进行校准，以消除线缆本身损耗的影响。(2)待人体天线的反射系数测量完成后，选用电池供电式的手持式频谱分析仪，电缆线的测试端连接到仪器的输入端口上，其它连线保持不变，用以测量人体天线接收到的功率。根据测试结果，可以看到实际人体天线对应的反射系数和接收到的功率，并从中选取合适的频率范围和合适的参数。
通过仿真可以获得最优的一组或多组隔离板参数，并获取隔离板参数调整方向与人体天线接收功率的关系，从而缩小平台测试时可选的隔离板参数组合，并基于隔离板参数调整方向与人体天线接收功率的关系进行参数的微调，从而获得更为准确的隔离板参数。
本发明第二实施例的一种能量收集装置组串，包括多个上述的能量收集装置；所述能量收集装置的输出端并联或串联后输出电能。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的能量收集装置组串的具体工作过程及有关说明，可以参考前述实施例中的能量收集装置，在此不再赘述。
本发明第三实施例的一种能量收集系统，包括一个以上前述的能量收集装置和/或一个以上前述的能量收集装置组串。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存能量收集系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述实施例中的能量收集装置、能量收集装置组串，在此不再赘述。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能量收集装置，其特征在于，所述能量收集装置包括天线单元、匹配电路、整流电路、储能单元；
所述天线单元包括第一导电面、第二导电面、隔离板；所述第二导电面接地；所述第一导电面用于人体站立，以形成单极子天线；所述隔离板设置于所述一导电面和第二导电面之间将两个导电面隔离以形成馈电端口；
所述天线单元的馈电端口与所述匹配电路电连接；
所述匹配电路与所述整流电路电连接；
所述整流电路与所述储能单元电连接。
2.根据权利要求1所述的能量收集装置，其特征在于，所述天线单元中隔离板的选定参数基于优化系统获取；所述优化系统包括用于获取于所述天线单元接收功率的接收功率计算单元；
所述隔离板的选定参数包括材质、面积、厚度；
所述隔离板的选定参数的获取方法为：基于预设的参数库，分别获取参数库各组参数对应的隔离板构成的天线单元的接收功率，将接收功率最大的一组参数作为选定参数。
3.根据权利要求2所述的能量收集装置，其特征在于，所述接收功率计算单元为电池供电式的频谱分析仪。
4.根据权利要求1-3任一项所述的能量收集装置，其特征在于，所述匹配电路基于所述天线单元的输入阻抗设计。
5.根据权利要求4所述的能量收集装置，其特征在于，所述天线单元的输入阻抗基于所述天线单元的反射系数计算获取。
6.根据权利要求5所述的能量收集装置，其特征在于，所述反射系数基于电池供电式的矢量网络分析仪对所述天线单元进行测量获取。
7.根据权利要求1-3任一项所述的能量收集装置，其特征在于，所述整流电路为倍压整流电路。
8.根据权利要求1-3任一项所述的能量收集装置，其特征在于，所述储能单元为电容和/或蓄电池。
9.一种能量收集装置组串，其特征在于，包括多个权利要求1-8任一项所述的能量收集装置；所述能量收集装置的输出端并联或串联后输出电能。
10.一种能量收集系统，其特征在于，包括多个权利要求1-8任一项所述的能量收集装置和/或一个以上权利要求9所述的能量收集装置组串。
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