中心議題：

• 用于采集的能源
• 熱能到電能的轉(zhuǎn)換
• 壓電設(shè)備
• 當(dāng)前的能量采集設(shè)備

在開發(fā)電池供電的終端產(chǎn)品時，設(shè)計工程師可能將大量時間和努力用在嘗試減少功耗和延長電池壽命上。 對于某些便攜式產(chǎn)品（例如用于安裝在難以到達(dá)的位置中的無線傳感器），產(chǎn)品的使用壽命可能由設(shè)備電池放電花費(fèi)的時間決定。 在這種情況下，減小功耗（甚至僅減小幾毫瓦）非常重要。

謹(jǐn)慎的電源管理（例如采用最有效地使用睡眠模式及其它減少功耗模式的方法）將對應(yīng)用消耗的整體能量產(chǎn)生顯著作用。 圖 1 顯示了增加處于睡眠模式的時間產(chǎn)生的影響。這可以顯著延長電池壽命，在某些情況下，還能使應(yīng)用在定義的整個壽命時間中運(yùn)行，無需更換電池。

但是，有一個理論上的備選方案： 能量采集為便攜式或遠(yuǎn)程安裝產(chǎn)品提供長久自主壽命承諾，并且不會產(chǎn)生任何開銷，例如更換電池或取出服務(wù)中的裝置以從主電源插座再充電。 如果可以投入使用，能量采集可以提供密集型節(jié)能設(shè)計不具備的功能： 不會中斷的便攜式電源。

能量采集系統(tǒng)的工作原理是收集能量以將其存儲在電池中： 系統(tǒng)通常由電池供電，而非由能量采集器直接供電。因此，能量采集器供電的系統(tǒng)實(shí)際上在結(jié)構(gòu)方面非常類似于傳統(tǒng)的電池供電產(chǎn)品（參閱圖 2）。

用于采集的能源

目前，用于能量采集的各種技術(shù)正處于不同開發(fā)階段。 從日光或人造光及無線電波采集能量的商業(yè)設(shè)備比比皆是。另一方面，相關(guān)研究也正在進(jìn)行，力求來自環(huán)境熱量、壓力甚至血糖的能量采集在商業(yè)上切實(shí)可行。

太陽能光伏 (PV) 面板是能量采集最為成熟的技術(shù)。 照射在太陽能電池表面的光子由半導(dǎo)體（一般為硅）吸收。 電子從其原子上分離，產(chǎn)生低壓情況下的可測量直流電流。多個電池連接到一起以形成提供較高輸出功率和 DC 電壓的面板，該面板可用于為計算器、手表或無線傳感器等系統(tǒng)的電池充電。

太陽能電池板轉(zhuǎn)換光能的效率不斷提高。 到達(dá)太陽能電池板的太陽能大約為 1kW/m2。 太陽能電池板的平均效率已知約為15%，設(shè)計工程師還必須估計電池板暴露在陽光下的時間，以計算其實(shí)際能夠生成的能量。
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熱能到電能的轉(zhuǎn)換

1821 年，托馬斯約翰塞貝克發(fā)現(xiàn)羅盤針在置于溫度不同的兩個導(dǎo)體之間時會移動。 這是因為熱梯度在兩個導(dǎo)體之間形成的電壓產(chǎn)生了磁場。 后續(xù)的研究表明，此“塞貝克效應(yīng)”在碲化鉍中特別強(qiáng)。

塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生的電壓可以用以下方程式表示：

其中，SA 和 SB 是兩個導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)

形成的電壓大約為每開爾文幾微伏。 圖 3 顯示了熱電生成電路原理圖。 為實(shí)現(xiàn)能量采集目的，熱量可以來自多種來源： 例如壁爐、汽車尾氣和人體。 在各種情況下，熱電系統(tǒng)都將提供清潔能源，因為其使用環(huán)境熱量來源。在 5°C 的溫度梯度下工作時，人體熱量已被證明能生成40μW（3V 時）的能量。

熱電生成器的最大問題是將熱能轉(zhuǎn)換為電能的效率較低。研究開發(fā)可在高溫下工作且不會導(dǎo)熱和導(dǎo)電的新材料可能會使熱電成為更加切實(shí)可行的能量采集選項，但是就目前而言，其實(shí)際用途有限。

壓電設(shè)備

機(jī)械能采集也處于實(shí)施的早期階段。 憑借壓電效應(yīng)，電子電路可以從人體運(yùn)動、地震振動、噪音和海水波動等來源獲取能量。 鈦酸鋇 (BaTiO3) 和 PZT 陶瓷都具有較強(qiáng)的壓電特性，適用于能量采集設(shè)備。

機(jī)械能采集離商業(yè)化有一定距離，而最近出現(xiàn)了一些有趣的概念驗證。例如，技術(shù)演示顯示 TV 紅外遙控器可由壓電能量采集器供電。此效應(yīng)反過來也起作用： 石英鐘和晶體振蕩器通過使用壓電效應(yīng)生成頻率，因為應(yīng)用于石英的電壓引起自然擺動，頻率由石英晶體大小和形狀決定。
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血糖

人體已被引證為機(jī)械能和熱能采集的來源。 有趣的實(shí)驗也顯示，血糖可以用于為設(shè)備供電。 所謂“生物燃料”可以使用血的氧化產(chǎn)生能量。 法國的研究人員已在實(shí)驗中對老鼠通過此方法生成 6.5μW 的能量；起搏器一般僅消耗10μW 的能量。

當(dāng)前的能量采集設(shè)備

許多采集技術(shù)仍是開發(fā)工作的重點(diǎn)。 但是，OEM 可以利用現(xiàn)成商用組件實(shí)施當(dāng)前切實(shí)可行的能量采集電源系統(tǒng)。小型電子設(shè)備的無線電頻率 (RF) 和太陽能采集目前都受到組件制造商的支持。 就 RF 能量采集而言，美國制造商Powercast 提供了 P1110 和 P2110，它們能將 850MHz 至950MHz 頻率范圍內(nèi)的無線電發(fā)射轉(zhuǎn)換為輸出電壓介于 1.8V與 4.2V 之間的 DC 電能，如圖 4 所示。設(shè)備可以使用 1GHz以下頻率波段中的雜散 RF 發(fā)射提供功率輸出，以便為嵌入主機(jī)設(shè)備的電池充電。 無線傳感器是通過 P1110 或 P2110使用環(huán)境 RF 能量的典型終端產(chǎn)品。

Powercast 表示，大多數(shù)應(yīng)用需要專用 RF 發(fā)射器（其可提供）以便為設(shè)備供電，提供“遠(yuǎn)程電源”來源。 這使設(shè)備可以擁有永久充電的電池，而無需更換電池或?qū)?yīng)用連接至主電源。

對于太陽能采集， I X Y S 是太陽能電池板和太陽能電池的領(lǐng)先提供商。例如，其 10mm x 4mm PV 太陽能電池單片串CPC1824 能在陽光直射下提供 4V 輸出和
100μA 短路電流。這適用于在能量采集電路中為電池充電。

結(jié)論： 目前的能量采集

某些能量采集設(shè)備仍在開發(fā)當(dāng)中，但是，目前可以開發(fā)通過環(huán)境 RF 或光能供電的現(xiàn)實(shí)終端產(chǎn)品。不斷改進(jìn) Powercast 和IXYS 等供應(yīng)商提供的商用產(chǎn)品的性能將
使能量采集未來適用于更廣泛的應(yīng)用。

目前的能量采集設(shè)備的確只能產(chǎn)生非常小的能量輸出。因此，采用有效管理活動和睡眠模式等久經(jīng)考驗的節(jié)能方法（像用于普通電池供電系統(tǒng)的設(shè)計一樣），以及仔細(xì)注意負(fù)載范圍中的能量轉(zhuǎn)換效率將有助于確保能量采集設(shè)備能夠符合所需的功率預(yù)算要求。