Muy bajo consumo: la forma más eficiente de almacenar carga durante horas

Estoy investigando la viabilidad de hacer un proyecto de arte que implica absorber la potencia de RF ambiental en una ciudad (recolección de energía) y luego reproducir un clip de sonido de 1 segundo a través de un altavoz tan pronto como haya suficiente energía almacenada para hacerlo. No habrá otra fuente de energía, ni solar, ni nada, solo recolección de RF ambiental.

Parece que la recolección de RF podría darme unos 10 microvatios. Y mi clip de sonido de 1 segundo, reproducido al volumen de habla humana con un amplificador eficiente, debería necesitar alrededor de 10 microvatios-hora. Por lo tanto, necesitaría cargar algún tipo de batería o capacitor durante, digamos, 1 a 5 horas a 10 microvatios, y luego descargarlo en 1 segundo y repetir.

Dado eso, ¿cuáles podrían ser algunas opciones para dispositivos/circuitos de almacenamiento? ¿Cuáles son las configuraciones más eficientes y las más ineficientes para los parámetros establecidos? En otras palabras, ¿hay alguna tecnología de almacenamiento de carga que pueda lograr el comportamiento anterior?

Respuestas (3)

Un condensador puede ser el almacén con menos pérdidas, PERO el tamaño del condensador necesario puede sorprenderlo.

Energía en un condensador = C V 2 2 Energía cuando un condensador se descarga de V 1 a V 2 =
mi = C ( V 1 2 − V 2 2 ) 2 reorganizando C = 2 mi V 1 2 − V 2 2 Conecte algunas cifras inventadas para tener una idea de las magnitudes: Vmax = 5 V, Vmin = 3 V.
E = 10 µWh = 36000 µW segundos = 0,036 vatios segundos = 0,036 julios.

C = 2 mi V 1 2 − V 2 2 = 2 ⋅ 3.6 ⋅ 10 − 2 5 2 − 3 2 = 7.2 ⋅ 10 − 4 dieciséis = 4500 µF. Los condensadores de cerámica y la mayoría de los plásticos podrían tener pérdidas lo suficientemente bajas. Cualquier capacitor electrolítico puede tener pérdidas excesivas.
4500 uF es un valor inmensamente grande para un capacitor no electrolítico.

El almacenamiento a un voltaje más alto disminuirá la capacitancia requerida por el cuadrado del voltaje. por ejemplo, a 50 V necesitas ≈ 47 µF o menos

Sin embargo, al menos consideraría el almacenamiento de batería. Es posible que una pequeña batería de iones de litio pueda hacer el trabajo. Si quieres decir 36 mJ en 1 segundo eso es 0.036 ⋅ 3600 W ≈ 130 W !!!. Eso es MUCHO más de lo que necesita para la aplicación indicada.

E&OE: dormir en el teclado (día largo con 3 horas de sueño): publicaré esto ahora y verificaré las cifras más tarde y veré las implicaciones de la batería.

Más pronto...

El único posible (y de uso frecuente en la práctica) es un condensador. Necesitará un capacitor de baja fuga con una capacitancia lo suficientemente grande.

Tienes que estimar qué capacitancia será suficiente y si es hasta varias decenas de microfaradios, puedes usar algunos capacitores de cerámica SMD. Tienen muy poca fuga. Para capacitancias más altas son adecuados los capacitores de tantalio.

Además, algunos convertidores de conmutación de micropotencia deben diseñarse para ajustar el voltaje a valores razonables. Vi en alguna parte convertidores LC de resonancia que pueden funcionar con una fuente de alimentación de 50 mV. (Necesitará algunos Ge BJT para esto)

Parece que la recolección de RF podría darme unos 10 microvatios

10 microvatios de potencia recibida a través de una antena eficiente en una carga de 50 ohmios significa que el voltaje es: -

V = 10 × 10 − 6 × 50 = 22 mV RMS. Esto puede tener un voltaje pico de 32mV.

No he encontrado un dispositivo de recolección de energía que pueda iniciarse automáticamente a menos de 200 mV, eso es casi diez veces más de lo que está considerando. ¿Quizás conoces un dispositivo que hará esto?

Para eso están los transformadores. Incluso una radio de cristal básica funciona según este principio. Si una radio de cristal solo creara 22 mV RF, entonces ninguna señal pasaría a través del diodo. Una bobina de RF con un secundario correctamente sintonizado debería poder emitir un poco más de 22 mV, a una impedancia más alta que la antena, por supuesto.
@OlinLathrop en una situación casi ideal, estaría de acuerdo con usted, pero el OP sugiere "absorber la potencia de RF ambiental" y esto significa una amplia franja de sintonización en un ancho de banda amplio y no centrarse en un área particular donde puede haber (o no haber) algo de energía de RF que valga la pena recopilar. Esto descarta la afinación del secundario. No puedo descartar que el OP pueda usar antenas direccionales para identificar una posible fuente de energía de RF, pero eso anula el objetivo de mi libro.
Primero, identificaría la estación AM más fuerte en el área y la sintonizaría. En segundo lugar, incluso si no sintoniza, aún puede usar una bobina receptora que funciona como un autotransformador, al igual que las radios de cristal.
@OlinLathrop Una sola estación de AM tiene muchas posibilidades de funcionar, si está bastante cerca (tal vez 10 km como máximo a 1 MHz). Debe expulsar ~ 1 kilovatio y a 10 km, la pérdida del enlace en el espacio libre es de 32,45 dB + 20 log (F) dB + 20 log (D) dB, donde F es MHz y D es km; esa es una pérdida de 52,45 dB de una señal de +60 dBm, dejando +7dBm para recepción. Dado todo tipo de problemas de espacio no libre, probablemente obtendrá 20dB menos a -13dBm. Eso es alrededor de 50 m W y por supuesto sintonizable porque es 1 frecuencia (+ bandas laterales). Probablemente obtendrá un pico de sintonización de 10:1 tomando los voltios de 50 mV a 500 mV rms. ¡Realizable!
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