一种模块化组合噪声电源

摘要

本发明涉及一种模块化组合噪声电源。主要包括：多个直流噪声电源模块、多个二极管以及储能装置。所述直流噪声电源模块包括声电换能器以及倍压整流电路，所述声电换能器的两端电极与所述倍压整流电路的电流输入端连接。所述多个直流噪声电源模块与多个二极管一一对应，所述多个二极管并联设置，所述二极管的正极与对应的直流噪声电源模块的倍压整流电路的电流输出端相连，所述二极管的负极与所述储能装置相连，所述储能装置用于将所述倍压整流电路整流和倍压后的直流电进行储存。本发明可取代电池，用于为无电区域或不方便更换电池的物联网节点供电。

说明书

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，特别是涉及一种模块化组合噪声电源。

背景技术

1.无线传感网节点的供电。

全球化的智能互联时代已经到来。物联网（IoT）既是科技发展和社会需求的大势所趋，又是行业应用、产业升级和市场竞争的“风口”热点，成为“中国制造2025”战略规划的重要组成部分。

所谓物联网，就是支撑采集型通信的网络和互联业务，目前主要集中在两大类产业方向：一是基于感知媒体的采集型业务，其典型产品应用形式和产业形态是无线传感器网络（WSN），简称无线传感网；二是基于存储媒体的采集型业务，其典型产品应用形式和产业形态是射频识别（RFID），主要由读卡器和射频标签（例如非接触式IC卡）组成，是典型的近场通信（NFC）技术应用。

对于无线传感网来说，其节点可能散布在各种环境，因而要由电池来供电。网络布设完毕后，电池通常难以充电或更换。因此，传感节点的低功耗问题既是IoT产品研制的一大热点，也是WSN实际应用的一大痛点。因为电池的电量毕竟是有限的，节点的功耗再低，“坐吃山空”，总有电量耗尽之时，而这也就是该WSN节点甚至整个网络的寿命期限。

因此，在许多人工巡检不便的场合，不接受采用电池供电的WSN节点，例如高铁线路，特别是隧道中，连太阳能电池都无能为力。

2.噪声发电的原理和需求。

自然环境并非绝对寂静，背景噪声无处不在，甚至有时还极其强烈，例如当一列高铁列车呼啸而过的时候。

物理学告诉我们，声音来自于声源的震动，噪声也具有能量。声音的传播会引起介质的震动，如果这种震动施加在具有压电效应的材料上，就使之产生正的压电效应，在理论上就能够产生电能。这就是噪声发电的原理和机理，而这种能够将机械振动转变为电信号，或反过来在电场驱动下产生机械振动的器件，称之为换能器。由于不同能量的不同形式可以相互转换，因而也可以把声能先转换成化学能或热能等中间形式，再转换成电能，这样有可能研制出更大容量的噪声发电装置，但代价也难免更高。

噪声发电突破了传统思维的局限性，将有害的环境噪声的声能转化为电能，而迅速发展的低功耗WSN节点，则为微小容量的廉价噪声电源，提供了一个有希望率先实用的“刚需”市场。

3.压电材料与应用。

压电材料分为3类。

1）无机压电材料：分为压电晶体（一般指压电单晶体）和压电陶瓷（泛指压电多晶体）。相比较而言，压电陶瓷的压电性强、介电常数高、可加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差。

2）有机压电材料：又称压电聚合物，例如以聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜为代表的有机压电薄膜材料，材质柔韧，具有低密度、低阻抗和大带宽。

3）复合压电材料：是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。

压电材料的应用领域可粗略分为两大类：即振动能/超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器、水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。

根据WSN的主流应用特点，本发明主要采用空气介质中音频范围的声-电换能器作为噪声电源的关键器件，并不研究压电材料本身，但压电材料的性能和成本，决定了对于现有声-电换能器产品的选型。

4.声-电换能器产品的局限性。

噪声电源从原理上十分简单而直接，只需将声-电换能器的输出电能存储在电容器中，当电容器内的电量足够多时，即可为一些小型用电装置供电。但是，为何至今尚未出现实用的噪声电源产品，特别是在应用面广、需求量大的物联网领域，主要有以下问题：

1）理论上，噪声能量分布在很宽的频谱范围（理想白噪声的功率谱带宽为无穷），因此，为了收集利用尽可能多的噪声能量，希望声-电换能器具有大带宽，但宽带压电材料的压电性能却不如窄带压电材料的。例如锆钛酸铅陶瓷（PZT）的压电常数可达5-10 C/m2，而PVDF薄膜的压电常数只有0.2 C/m2。所以采用PVDF薄膜的设计方案往往要在声音的接收装置上下功夫，例如附着在喇叭状接收“天线”的内侧，这无疑增加了噪声电源的体积和成本，降低了结构强度。

2）实践中，环境噪声的主要频率分量也常有窄带的，例如火车鸣笛声、汽车喇叭声和人员尖叫声等，则此时采用工作在与噪声主频相谐振状态的窄带换能器如PZT，就可望得到更高的灵敏度和压电转换效率。问题是，环境噪声主分量的频率尽管是窄带的，但中心频率确实未知或变化的，例如大卡车和小轿车的喇叭声听上去就有所不同，显然其主分量的中心频率也不相同，如果与窄带换能器的工作频率失配，效果可能更糟。

3）设计时，噪声电源应该输出直流（DC）电压，而换能器压电材料所输出的则是与其输入噪声相对应的交流（AC）电压，必须利用整流器将其转换为直流电压，以方便存储和使用。但是，即使一个最简单的整流二极管，其伏安特性也存在着拐点或“死区”，当输入电压低于死区电压时，二极管基本上不工作。因此，当环境噪声较低特别是换能器灵敏度不高时，噪声电源即失效了。为了应对这一问题，现有设计方案又增加了放大器，但放大器电路是有源器件，自身也要消耗电能，在噪声电源不能为其供电时，也无法工作。只好又“请回”锂电池，工作在浮充状态，既储能，又供电，但此时噪声电源主要用作充电器，其意义已大打折扣。

发明内容

基于此，本发明提供一种模块化组合噪声电源。将环境噪声转换为直流电能，取代电池为低功耗设备供电，用于无电区域或不方便更换电池的物联网节点。

一种模块化组合噪声电源，包括：

多个直流噪声电源模块、多个二极管以及储能装置，

所述直流噪声电源模块包括声电换能器以及倍压整流电路，所述声电换能器的两端电极与所述倍压整流电路的电流输入端连接，

所述声电换能器用于接收噪声或振动，利用其具备的正压电效应，将噪声或振动转化成正弦波的交流电，

所述倍压整流电路用于将声电换能器产生的交流电进行整流和倍压，将交流电整流为直流电，

所述多个直流噪声电源模块与多个二极管一一对应，所述多个二极管并联设置，所述二极管的正极与对应的直流噪声电源模块的倍压整流电路的电流输出端相连，所述二极管的负极与所述储能装置相连，

所述储能装置用于将所述倍压整流电路整流和倍压后的直流电进行储存。

本发明的上述直流噪声电源模块可将环境的噪声转换为直流电能，并通过储能装置将电能进行存储。进而通过储能装置可向用电负载供电。

在其中一个实施例中，所述储能装置包括多个并联的大容量电容器或电容器组。

在其中一个实施例中，所述大容量电容器为超级电容器，所述电容器组为超级电容器组。

在其中一个实施例中，所述模块化组合噪声电源包括至少两种不同类型和规格的声电换能器。

在其中一个实施例中，所述直流噪声电源模块采用无源器件。

在其中一个实施例中，所述倍压整流电路采用6倍电压电路，产生输入峰值的6倍的电压。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的实施例的模块化组合噪声电源的直流噪声电源模块的电路图。

图2是本发明的实施例的模块化组合噪声电源的原理框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1和图2所示，本发明的实施例提供了一种模块化组合噪声电源，包括：多个直流噪声电源模块、多个二极管以及储能装置。所述直流噪声电源模块包括声电换能器以及倍压整流电路，所述声电换能器的两端电极与所述倍压整流电路的电流输入端连接。所述声电换能器用于接收噪声或振动，利用其具备的正压电效应，将噪声或振动转化成正弦波的交流电。所述倍压整流电路用于将声电换能器产生的交流电进行整流和倍压，将交流电整流为直流电。所述多个直流噪声电源模块与多个二极管一一对应，所述多个二极管并联设置，所述二极管的正极与对应的直流噪声电源模块的倍压整流电路的电流输出端相连，所述二极管的负极与所述储能装置相连。所述储能装置用于将所述倍压整流电路整流和倍压后的直流电进行储存。

本发明的上述直流噪声电源模块可将环境的噪声转换为直流电能，并通过储能装置将电能进行存储。进而通过储能装置可向用电负载供电。

本发明利用不同数量的廉价微功率直流噪声电源模块，配合不同容量的超级电容器组形成的储能装置，即可组合成中小功率甚至较大功率的噪声电源。

如图2所示，每个模块代表一个直流噪声电源模块。直流噪声电源模块的数量可根据实际需求进行设定。例如可为1个，2个，3个，5个等等。各个模块通过一个二极管与储能装置相连。

这样设置，使得输入端具有单独的声电换能器，输出端具有独立的输出电压。且通过二极管阻隔组合电源的输出电压向其它输出电压较低的直流噪声电源模块反窜（或回流），从而保证了各直流噪声电源模块的输出端通过二极管隔离后可直接并联。

本实施例中，所述储能装置包括多个并联的大容量电容器或电容器组。例如图2所示。

具体的，所述大容量电容器为超级电容器，所述电容器组为超级电容器组。

本实施例中，所述模块化组合噪声电源包括至少两种不同类型和规格的声电换能器。例如，所述声电换能器可以为蜂鸣片等。这样设置，使得直流噪声电源模块可根据不同环境噪声的特点，分别选择不同压电材料、不同频率带宽、不同压电灵敏度甚至不同结构形式的换能器，通过组合实现优势互补，不至于像单一换能器那样，不是与环境噪声完全失配，就是声-电转换效率极低。

本实施例中，所述直流噪声电源模块包括的声电换能器以及倍压整流电路采用无源器件。无需额外供电。

本实施例中，在利用电容器作为储能装置时，电容器两端的电压不可能超过其充电电压，但是本发明通过改变倍压整流的倍数M，可以提高和调整各直流噪声电源模块的输出电压。所述倍压整流电路可采用2倍电压电路，4倍电压电路等。图1给出了一种6倍电压电路，可产生输入峰值的6倍的电压。

具体的，如图1所示，所述倍压整流电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6。所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5和二极管D6依次串联。所述二极管D1和二极管D2之间的节点与电容C1相连，所述二极管D2和二极管D3之间的节点与电容C2相连，所述二极管D3和二极管D4之间的节点与电容C3相连，所述二极管D4和二极管D5之间的节点与电容C4相连，所述二极管D5和二极管D6之间的节点与电容C5相连，所述二极管D6的正极与电容C6相连。其中，二极管D1的负极、电容C2、电容C4以及电容C6共接上述声电换能器的第一电极，上述电容C1、电容C3以及电容C5共接上述声电换能器的第二电极。

进一步的是，图1中，电解电容TC1的两端与电容C6的两端相连，电解电容TC1的一端为HV端，另一端接地。这样，电解电容TC1可用于储能。其两端可接负载。

以下通过实验验证本发明的效果。

声电换能器

采用压电陶瓷“蜂鸣片”作为声-电换能器，工作频率约2000Hz，而该类产品目前主要是作为蜂鸣器使用的，利用的是其逆压电效应，即把电压转变为声音。由于蜂鸣片最为廉价，故用其进行原理验证。

声源

由于蜂鸣片的工作带宽极窄，故采用音频信号发生器外接扬声器，产生约2000Hz的声音。尽管这完全不是白噪声，只是一个较为单纯的正弦波的声音，但作为原理验证，已经可以说明问题了。对于更真实的环境噪声，只需更换相应频带的换能器即可。

实验电路

由于蜂鸣片换能器产生的交流电压幅度只有数百毫伏，所以本实验从普通的半波整流逐步扩展到最后的6倍压整流，完整的电路如附图1所示。图1中的倍压整流电路中，除了无源的二极管和电容以外，没有采用任何有源器件如晶体三极管、运算放大器或电池。不仅如此，为了尽量降低无谓的损耗，连电阻也没有采用，因而整流器与换能器的阻抗匹配肯定不在最佳。

实验结果

采用发光二极管（LED）作为负载，跨接在图1中的电解电容TC1的两端，考察图1所示直流噪声电源模块的“发电”和“储能”情况。当TC1的容量较小时，随着信号发生器输出的关闭，LED的光亮也随即熄灭。而随着TC1容量的不断加大（远未达到超级电容的法拉级水平），则声音消失后，LED仍然维持光亮的时间也越来越长。但是，从声音发出到LED发亮这中间所需的时间也越来越长。这也是合理的，因为根据C=Q/U的电容公式，当充电的电荷量Q一定时，如果图1中电容TC1的电容量C越大，则其输出电压U=Q/C达到点亮LED所需的建立时间也越长。

按照本发明图2的技术方案进行试验，采用两个模块，两个模块中的蜂鸣片的标称频率相同，采用图1所示的6倍的倍压整流电路。实验结果表明，充电过程的确可以加快。

进一步的是，本发明的噪声电源，采用超级电容充电10秒～10分钟即可达到其额定容量的95%以上，因而本发明的可行性得以验证。

注意到我国的高铁里程已经世界第一，行车密度也越来越高（例如京沪线上最密时几分钟就会有一列高铁通过），高铁列车通过时所产生的巨大呼啸声音和震动，比本实验的声强不知要大了多少个数量级，因而，首先在高铁沿线利用本发明为WSN节点供电，将会有更好的实用性和实际意义。

通过以上分析可知，本发明具有以下有益效果。

（1）灵活：这是本发明的突出优势，具体表现在电源容量、换能器选型和输出电压等方面。

①容量。

利用不同数量的廉价微功率直流噪声电源模块，配合不同容量的超级电容器组，即可组合成中小功率甚至较大功率的噪声电源。

②换能器。

直流噪声电源模块可根据不同环境噪声的特点，分别选择不同压电材料、不同频率带宽、不同压电灵敏度甚至不同结构形式的换能器，通过组合实现优势互补，不至于像单一换能器那样，不是与环境噪声完全失配，就是声-电转换效率极低。

③输出电压。

首先，在利用电容器作为储能元件时，电容器两端的电压不可能超过其充电电压，但是本发明通过改变倍压整流的倍数M，可以提高和调整各直流噪声电源模块的输出电压；

其次，各直流噪声电源模块的输出电压不可能完全一致，而通常将不同输出电压的直流电源直接并联会有严重的安全和故障隐患，但是本发明通过保证各直流噪声电源模块均只采用无源电路设计，并通过二极管阻隔组合电源的输出电压向其它输出电压较低的直流噪声电源模块反窜（或回流），从而保证了各直流噪声电源模块的输出端通过二极管隔离后可直接并联。当然，在这种情况下，用电负载首先消耗的是那些能够向电容器组充电的模块所提供的电能。

（2）环保：

即使采用太阳能、风能那样的清洁能源，也需要有蓄电池的配合，才能保证全天候和全天时的持续供电。而普通化学电池严重污染环境，特别是对于那些布设后便不再回收的WSN节点，如果采用本发明所述的模块化组合噪声电源代替化学电池来供电，显然可以减少电池用量，有利于环境的保护。

（3）规格化：

模块化组合的设计思路有利于模块的规格化甚至标准化，而规格化的模块产品显然有利于芯片集成。具体到本设计，除了换能器和超级电容器组，其它电路元件都不难进行芯片集成或模块集成。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。