High-Efficiency Solar-Piezo Hybrid Energy Harvester for Long-Term Autonomous Operation of Smart Agriculture Sensor Nodes
N. K. Havalam · Ragaba Mean Bosco
设计太阳能-压电混合能量收集系统，为智慧农业无线传感器节点提供长期免维护供电。
单晶硅太阳能板与压电换能器混合，MPPT电路及超级电容-锂离子电池储能，温室和露
混合系统能量捕获比纯太阳能高30-45%，MPPT提升转换效率约22%，30天运行时间超98%，无光
可探索混合能量收集与低功耗传感器调度协同优化，以及基于环境预测的动态能量管理策略。
论文提出太阳能-压电混合能量采集方案，实测能量捕获提升30-45%、节点在线率超98%，对智慧农业长期免维护传感部署有实质参考价值，但发表于半月后、时效性不足，暂不宜进入每日精选。
本文介绍了一种高效混合能量收集系统的设计与思考，该系统结合了太阳能和压电能量收集组件，为智慧农业中使用的自主无线传感器节点（WSN）供电。最重要的目标是在预期的多变环境条件下，实现传感器节点的免维护、长期运行。所提出的系统由单晶硅太阳能板和压电换能器组成，能够同时利用环境光和机械振动。为了实现最大能量提取，采用了基于智能最大功率点跟踪（MPPT）的功率调节电路，并将产生的能量通过混合超级电容器-锂离子电池系统进行存储。为了在实际条件下评估所设计系统的性能，专门搭建了一个WSN平台，并在温室和露天田地环境中进行了部署。实验结果表明，与仅使用太阳能的系统相比，混合能量收集器的能量采集量提高了30%至45%。此外，通过采用MPPT实现，功率转换效率提高了约22%。传感器节点表现出卓越的可靠性，在30天不间断部署中正常运行时间超过98%，并在无任何光照条件下自主运行超过12小时。本研究的创新之处在于该能量收集系统的稳健性，其中还利用了辅助能源来增强智慧农业WSN的韧性并延长其运行周数，考虑到在不可控的户外环境中使用单一能源的局限性。