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基于最大功率点控制的室内光伏能量收集系统，用于无Discover蓄电池智能传感器
光伏能量收集已被证明是一种卓越的技术，能够为智能传感器提供清洁能源。然而，在室内环境中，回收的能量通常不足且不稳定，无法为这些传感器供电。这项工作提出了一种无电池系统，用于利用光伏能量收集为室内环境中的智能传感器供电。建议的系统包括光伏集油机、能量收集电路（EHC）和目标负载。EHC基于LTC3105集成电路，采用最大功率点控制技术，确保尽可能多地收集能量。在各种室内光照条件下，使用多种光伏模块技术进行了广泛的实验评估。基于最大可收集功率、开路电压和尺寸，36厘米2该系统选定了多晶光伏模块。EHC通过灰狼优化算法（GWO）调谐，仅在光伏舱的最大功率点下工作。该系统成功启动并运行TH01-WH传感器，在100升白炽灯下运行，效率达到67.54%，这对于由标准组件构建、通过计算智能技术优化的设备来说，是一个坚实且现实的基准。该系统比基于MPPT的采集系统更简单且经济实惠，非常适合低功耗预算的室内智能传感器
图形摘要
人口迁入城市的趋势日益增长，以及相关的城市化进程，迫切需要解决城市基础设施在医疗、供水、教育、交通、安全，尤其是能源等方面满足所有居民需求所需的挑战[1]。拥抱智能城市技术是迈向可持续城市发展的重要一步，为实现智慧城市和实现净零建筑铺平道路[[1]， [2]， [3]]。尽管构建智能环境的愿望已持续数十年，但最近关于这一多学科领域的研究量激增 [[4]， [5]， [6]， [7]。一个智能代理利用传感器监控和感知环境状态，并由设备控制器对其采取行动，可以被视为智能环境。这种环境可以最大化居住者的舒适度，减少资源消耗，并确保环境及其居住者的安全，以及其他目标[8]。众多应用，包括环境监测[9]、教育[10]、动物追踪、灾害监测（如地震、飓风、洪水）以及建筑物和桥梁等土木结构的健康监测[5,6,8，[11]，[12]，[13]]，推动了物联网和世界网络（WSN）日益普及[[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。
智能传感器是智能环境中重要的组件之一。这些传感器通常需要自给自足且可持续的供电系统，这降低了维护成本并提高了灵活性 [[19]， [20]， [21]， [22]， [23]]。多种商业化能源，包括燃料电池和电电池，已被用于为智能传感器和物联网设备供能。同样，镍镉（Ni-Cd）、镍氢化物（Ni-MH）和锂（Li-Ion）电池也相继推出。然而，电池寿命短、频繁更换的必要性以及更换电池暴露时对环境的毒性，仍然阻碍了水流网络的使用。能量收集是一种值得利用的策略，可用于解决这些问题 [[24]， [25]， [26]， [27]， [28]]。能量收集器同时利用自然环境和人体的能量[25]。能量收集系统将环境能量转换为微瓦或毫瓦级的电能，因此不适合为大负载提供可行的替代能源。然而，从可靠性、可持续性和维护成本角度来看，能量收集对基础设施有显著影响[29]。
在能源收集技术和资源中，光伏能源收集技术已被证明是一种有前景的解决方案，能够为传感器和物联网设备提供清洁、灵活且可持续的电力[20,30]。光伏能源系统通常由光伏集油器、电源管理电路、储能系统和低功耗负载组成，如图1所示。利用光伏技术收集能源已成功应用于室内设备[20,31]。近年来，越来越多的研究聚焦于光伏模块和电池的分析和表征，旨在利用它们为室内环境中的水电网络供电[19,20,30，[32]，[33]，[34]，[35]，[36]，[37]，[38]，[39]]。研究结果表明，室内光伏能量收集可达到十分之一的微瓦/厘米2.然而，大多数光伏电池和组件在室内条件下的良率相当低 [4,7,30,32,33,40]。获得的能量通常不足且不稳定，无法为传感器供电。为了考虑回收的电力与传感器负载所需的功率之间的差异，应实施创新方法来改善室内光伏设备的性能[20]。
为了提升光伏模块在室内和室外环境下的性能，研究人员一直在寻找方法和方法。有许多研究聚焦于开发能够实现更高效率的新型光伏器件[[41]、[42]、[43]、[44]、[45]、[46]]。这种优化光伏组件性能的策略催生了新型光伏组件结构，目前正在开发中，尚未准备好商业化。其他方法如MPPT被提出以提高商业化光伏模块能量收集系统的收割能力[2,44，[47]，[48]，[49]，[50]，[51]，[52]，[53]]。
Lee，[52]创造了一种能量收集装置，具有小型变压器核心和纳米铁流体磁芯，利用人造光为无线传感器节点充电。芯片的变压器可以将从光伏电池中提取的能量转换为可变电压输出，从而为多个负载供电。所提议的能量收集装置被用于为一个传感器网络供电，收集环境数据并计算储藏室的热舒适指数，其表现令人钦佩，丢包率为2.3%[47]，这也为室内光能收集系统提出了全面的设计考虑。设计包括光伏电池、储能装置、目标电机和电源管理电路。为了提高太阳能电池的功率输出，建议使用最大功率点追踪（MPPT）电路。创新的快速充电电路旨在缩短充电时间。为了找出设计的实际问题，测试并成功评估了一个原型机，适用于多种室内照明环境。研究结果表明，在典型的室内照明场景下，所提原型可将充电速率提升34%，并提升光伏电池的功率30%。
[53]研究了能量回收的可能性，重点关注室内光收集。作者们认为该MAS6011被认为是室内系统中最好的MPPT芯片，同时也讨论了光伏系统面临的一些困难以及部分遮阳对输出性能的影响。然而，该芯片无法用于无存储系统。在另一项研究[51]中，提出了一种由锂电池、控制电路和太阳能电池板组成的太阳能收集装置，以提供稳定的长期供电。锂电池的充电由硬件而非软件控制，提升了系统的稳定性和可靠性。锂电池在云层、雨天或黑暗时作为备用电源。该系统设计用于在阳光充足时使用太阳能。这项技术确保锂电池在正确充电技术下拥有极长的寿命，并改造MPPT电路以充分利用太阳能。这使得降低电池的充放电频率成为可能。作者建议采用低功耗技术实现该系统，这对于位于物联网系统外部的无线传感器节点尤其适用。此外，[2]还提出了一种面向室内环境的微功率光能收集系统，包括非晶硅太阳能电池、带多重点电容的开关电容电压倍增电路和大型电容器。所提系统采用分时开路电压MPPT技术，该技术由异步状态机实现，该机生成并动态调整开关电容器电路的时钟频率，使开关电容器电路的输入阻抗与光伏电池的最大功率点（MPP）相匹配。启动后，CMOS系统仅需18 μW/cm2光照度以运作。模拟结果显示，建议电路在使用1.712毫瓦光伏电池功率时，可向负载提供1.266毫瓦的功率，效率高达73.91%。
同样，[49]提出了一种新颖的方法，用于利用环境太阳能光伏能量为传感器节点供电。该技术对由可充电电池供电的WSN节点非常有效。研究目标是提高收集系统的总效率，这取决于可充电电池、太阳能电池板和MPPT控制的直流变流器效率。根据MATLAB/SIMULINK中创建的多个模型的迭代模拟，设计的太阳能收集系统的效率为96%。考尔和贝朗热[54]开发了一种室内光伏能量收集装置技术，能够在低光照条件下高效回收大量电力。基于该高效能量收集装置的室内光伏（PV）能量收集模块也被开发出来，用于为物联网传感器节点及其他通常需要一次性或用户充电电池才能正常工作的设备供电。研究表明，室内光伏能量收集电源模块能够为无线建筑自动化一氧化碳供电2传感器节点持续以200 LX频率，每150秒测量并发送数据。
[55] 讨论了室内低功耗应用如热传感器的能量收集系统效率如何受到不同照明类型使用的影响。这项工作证明了多晶太阳能电池板可以用室内光源的能量为热传感器供电。此外，与DSSC的比较显示，多晶晶的开路电压更高。本次实验中使用的四个光源均在距离光源15厘米处时能够发电，展示了利用室内光辐射进行多晶太阳能板能量收集的可行性。还设计了一套利用多晶太阳能电池板为热传感器供电的能量收集系统，仅配备100瓦白炽灯泡，能够为传感器供电。
表1总结了文献中关于能量收集系统的不同研究。虽然许多研究聚焦于设计能够实现更高效率的新型光伏设备，但也有研究报告了可用于最大化商业光伏组件能源收集系统的采集能力的技术。然而，所提优化的光伏模块方案仍存在不少缺陷，因此尚未成熟以实现商业化。另一方面，大多数采用其他技术的系统仍然使用电池[2，[47]，[48]，[49]，[50]，[51]，53]，尽管系统允许延长电池寿命，但电池生命周期末期仍对环境构成威胁。另一些设计用于户外，无法在室内环境中正常工作 [31,49,51]。同样，一些提议系统的实现仅限于仿真，而另一些则非常复杂，带来了灵活性和集成性上的挑战
为了弥合这些差距，本研究旨在提出一种简单、清洁、灵活且可持续的电源，用于基于无电池室内光伏能量收集系统的智能传感器供能。本研究特别旨在以下方面做出贡献：
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利用GWO确定室内光伏组件最大功率时电压与开路电压的最优关系。
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提出一种灵活且简便、无电池的室内光伏能量收集系统，基于集成电路LTC3105实现的最大功率点控制（MPPC），以最大化从室内光线中提取能量。
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对拟议系统的特性进行特征和测试，全面分析光伏模块的特性，并利用温湿度传感器负载进行实际评估