光致电压技术对传感器设计的影响

光致电压技术对传感器设计的影响

     摘要：您设计传感器吗？如果是，你现在可以看到将传感器带入无线时代的新技术。
    
     关键词：光电致压（PV） 无线传感器 硅晶体 薄膜 纳米粒子 光照度
    
     无线传感器----无需安装数英里的导线、无需繁杂的系统维护和偏远处的电缆保护。像无线电话一样，实现这种理念的时代正向我们走来。但与移动电话不同的是，其通讯网络的发展还不完善，因为这些装置需要操作电源，而且必须是可靠的电源。
    
     让我们来测试一下你的移动电话。当你使用时，它可能具有无线功能；当它充电时是不是有相当时间处在睡眠状态呢？这种断续的（部分时间）无线操作可以用于电话，但绝不可用于传感器。传感器不能晚上带回家充电。遥感传感器的维护非常昂贵且常常很难接近操作。过去，给应用的无线传感器确定合理维护的唯一方法是采用大容量电池并且限制传感器的日常使用。但是现在，仅仅光就可以作为一种能量的来源，光致电压（PV）源可在数年时间对几乎所有的地点提供可靠能量，而且没有噪音、无需移动部件和维护。
    
     目前的发展状态
    
     近期在光致电压材料方面的发展使得工程师们开发出实际上可汲取无尽能源的无线传感器成为可能。无线传感器的增值特色可给传感器生产商和终端用户都带来利益。产生商能出售更高定价的产品，而消费者可享受更低的安装费用并减少总的成本支出。而实际上，用户从真正意义上的无线传感器方面所获得的利益还远不止这些。
    
     一般而言，安装方面的节省完全可抵销其成本影响。例如，一个$100的有线传感器的安装成本是$600–$1000，另一方面，一个$400无线传感器的安装成本最高为$450。例如，Western Kentucky Energy选择了一个无线控制系统，其安装成本为$425,000，而相同的有线系统的成本为$793,000，整个系统节约安装费超过45%。
    
     光致电压----一种领先技术
    
     PV器件主要捕获光子。如果光子有足够的能量，它们既可激发器件中的电子。如果此器件设计良好，其电子既可以进行有益的工作。
    
     PV元件是种二极管。其暴露于光的部分可产生电压。如果负载被连接到此PV元件，该元件可把电流传送到负载。形成的电流大小为收集的光子量的函数。为增加电流输出，可把该元件置于亮度更高的环境或采用一个更大的PV元件。
    
     所有的PV元件（无论类型）都可产生0.5 VDC，但实际输出电压会随工作温度变化。通常温度越低，则元件产生的电压更高。为了创建5 VDC、12 VDC和更高的电源工作系统，你必须把多个元件连接起来。生产商一般为其产品提供IV曲线（参看图1）。
    

     三种PV技术
    
     现今存在三类PV技术。对于第一代或者说水晶材料而言，PV元件是这种技术的最古老的商业形式，它们由硅晶体制成，工艺与半导体晶片制造的方法非常相似。大部分户外及屋顶PV系统都是由水晶PV材料制成。当这些系统用于户外时，它们存在笨重、不能用于人造光以及小型应用中难于依比例测量等问题。
    
     第二代PV称为薄膜技术，然而这种用词也许有点不准。虽然在第二代元件的生产中采用了薄膜材料，但它们仅是沉淀在玻璃基座上，既厚又不灵活，有些名不副实。虽然第二代PV元件不如水晶PV元件那样高效，但它们可在人造光下工作。这些材料可按比例缩放以满足小型应用的需求。如，市场上的大部分小型太阳能计算器采用了该技术。第二代材料料一般都不灵活且易折，因此对于大部分传感器应用而言并不是很理想。
    
     目前正在发展的第三代PV技术采用沉淀工艺将纳米粒子配置在一薄且灵活的基座上。其采用的新材料不仅可在室内、室外工作且转换效率与第二代基本相同，这种材料很轻、易按比例缩放、灵活且与其它类型的PV材料相比受温度影响较小。因此该材料特别适合给小型、远距离装置如传感器供电。图2概括描述了各代PV技术的优、缺点对比。
    
     太阳光不存在的情况
    
     虽然一些室内应用具有24小时的可预测光，但绝大部分应用没有。我们如何确保PV元件在你需要的时候都会提供能量？
    
     答案很简单，通过把一个小型可充电的电池（或电容）和一个简单充电电路与PV元件结合，就可产生一个独立的可更新的电源，以用于实际系统中。你不再需要一个大型电池，而只需足够的存储以应付短期的能量需求，因为此系统在有光的时候可给电池充电。（参看图3）
    
     PV元件会为我们服务吗？
    
     你可依照以下简单步骤决定你的应用是否适用PV技术。注意，这些条件仅是初步的估算。如果你的应用看起来充满前景，接下来就可作详细的工程分析。
    
     第一步：计算需求（平均每日的功率需求）
    
     测定：
     · 打开时要求的工作电流
     · 每天平均功耗
     · 额定工作电压（一般来说，充电电路电压应比电池额定电压高出15-20%）
    
     计算功耗（瓦时Wh/每天）=电流×时间×电压
    
     第二步：计算光供应量（每天平均Wh/m2）
    
     测定：
     · 平均光照度（以W/m2）（参看图4）
     · 每天光照的小时数（对于室外应用考虑每月条件）
    
     计算光供给量（以Wh/m2）=光照强度×小时
    
     第三步：计算产生的能量
    
     测定：
     · 在你环境中的PV元件的应用效率（通常室外为5%，室内为7%）
     · 系统损失（如果无具体数据，估计为20–25%）
    
     计算潜在能量产生(Wh/m2)=光供给×效率×(1－损失)
    
     第四步：计算PV元件尺寸要求
    
     计算要求的元件尺寸(m2) =需求/产生的能量
    
     经济考虑
    
     在安装和维护中，PV元件的直接成本只是所了解的节约的成本的一部分。
    
     图5提供了PV元件材料成本的大概范围。但如果你把一个传统传感器与无线传感器对比时，必须考虑其它因素：
     · 架线成本
     · 电源实用性
     · 循环要求
     · 最初的电池成本（小型对大型）
     · 机械包装成本（小型对大型电池）
     · 用户电池更换（维护）成本
     · 电池处理成本
     · 电池丢失成本
     · 电源故障和/或UPS系统成本
    
     在很多应用中，这些成本远高于无线传感器的价格。
    
     结论
    
     对于许多应用，现在的新材料使得PV电源相对于传统的导线和电池系统是一种经济的选择。PV装置可为用户增值，减少安装和维护成本并且通过更高的循环可增加系统性能。
    
     无线市场增长很快。北美无线产品的出货将由2001年的$1.1亿增长到2006年止的$7.52亿（47% CAGR）。对于目前发展非常缓慢的来说，这种销路对于传感器生产商而言的确是一个令人振奋的消息。