- 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(shí)，設(shè)計(jì)工程師可能將大量時(shí)間和努力用在嘗試減少功耗和延長(zhǎng)電池壽命上。 對(duì)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(wú)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(shí)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(duì)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(shí)間產(chǎn)生的影響。這可以顯著延長(zhǎng)電池壽命，在某些情況下，還能使應(yīng)用在定義的整個(gè)壽命時(shí)間中運(yùn)行，無(wú)需更換電池。
圖 1： IC 組件處于完全打開（左）、睡眠模式（中）和 80% 睡眠模式和20% 打開模式的組合（右）時(shí)的功耗。
但是，有一個(gè)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(zhǎng)久自主壽命承諾，并且不會(huì)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(jì)不具備的功能： 不會(huì)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(chǔ)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）。
圖 2： 由環(huán)境能量供電的低功率系統(tǒng)架構(gòu)
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(wú)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(lái)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(yáng)能光伏 (PV) 面板是能量采集最為成熟的技術(shù)。 照射在太陽(yáng)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(cè)量直流電流。多個(gè)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(jì)算器、手表或無(wú)線傳感器等系統(tǒng)的電池充電。
太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換光能的效率不斷提高。 到達(dá)太陽(yáng)能電池板的太陽(yáng)能大約為 1kW/m2。 太陽(yáng)能電池板的平均效率已知約為15%，設(shè)計(jì)工程師還必須估計(jì)電池板暴露在陽(yáng)光下的時(shí)間，以計(jì)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(gè)導(dǎo)體之間時(shí)會(huì)移動(dòng)。 這是因?yàn)闊崽荻仍趦蓚€(gè)導(dǎo)體之間形成的電壓產(chǎn)生了磁場(chǎng)。 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(gè)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(lái)自多種來(lái)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?yàn)槠涫褂铆h(huán)境熱量來(lái)源。在 5°C 的溫度梯度下工作時(shí)，人體熱量已被證明能生成40μW（3V 時(shí)）的能量。
熱電生成器的最大問(wèn)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(huì)導(dǎo)熱和導(dǎo)電的新材料可能會(huì)使熱電成為更加切實(shí)可行的能量采集選項(xiàng)，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(dòng)、地震振動(dòng)、噪音和海水波動(dòng)等來(lái)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(yàn)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(guò)來(lái)也起作用： 石英鐘和晶體振蕩器通過(guò)使用壓電效應(yīng)生成頻率，因?yàn)閼?yīng)用于石英的電壓引起自然擺動(dòng)，頻率由石英晶體大小和形狀決定。
圖 3： 溫度梯度通過(guò)塞貝克效應(yīng)在電路中產(chǎn)生電壓
圖 4： Powercast 能量采集器的轉(zhuǎn)換效率
血糖
人體已被引證為機(jī)械能和熱能采集的來(lái)源。 有趣的實(shí)驗(yàn)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(guó)的研究人員已在實(shí)驗(yàn)中對(duì)老鼠通過(guò)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(wú)線電頻率 (RF) 和太陽(yáng)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(guó)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(wú)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(wú)線傳感器是通過(guò) 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(lái)源。 這使設(shè)備可以擁有永久充電的電池，而無(wú)需更換電池或?qū)?yīng)用連接至主電源。
對(duì)于太陽(yáng)能采集， I X Y S 是太陽(yáng)能電池板和太陽(yáng)能電池的領(lǐng)先提供商。例如，其 10mm x 4mm PV 太陽(yáng)能電池單片串CPC1824 能在陽(yáng)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(guò)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(lái)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(dòng)和睡眠模式等久經(jīng)考驗(yàn)的節(jié)能方法（像用于普通電池供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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。
