如何最大限度地提高電子設(shè)備中能量收集的效率

能量收集是工程中的一個(gè)基本概念。吸收多余的廢物或可用能源并將其回收用于有用的工作是有意義的，可以延長(zhǎng)電源的使用壽命。對(duì)于交通運(yùn)輸?shù)却笮蛻?yīng)用，實(shí)施額外的硬件來(lái)回收廢熱可以將整體系統(tǒng)效率提高百分之一（< 10%）。在這里，商業(yè)案例是車輛的數(shù)量和將熱量轉(zhuǎn)化為工作而不是將其釋放到大氣中的凈正面環(huán)境效益。

對(duì)于電子產(chǎn)品，類似的低能量轉(zhuǎn)換效率 (10%) 阻礙了能量收集器在低功率應(yīng)用中的適用范圍。超低功耗 MCU 的功率貢獻(xiàn)限制了能量收集可以替代的電池大小，大約為 1-1,000 μW/cm 2。盡管如此，提高電子能量收集的能量轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)挑戰(zhàn)仍然可以提高設(shè)備的性能，并通過(guò)顯著提高效率來(lái)延長(zhǎng)或更換電池壽命。

必須區(qū)分最大功率和最大效率。雖然提高轉(zhuǎn)換效率會(huì)增加相同輸入能量的功率，但這種情況不一定與最高功率一致。以下是一些優(yōu)化典型超低功耗 MCU 能量收集器以實(shí)現(xiàn)最高效率的方法。

太陽(yáng)能效率

適用于電子可再生能源收集的應(yīng)用包括可穿戴技術(shù)和離網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。盡管這些用例的能量收集效率不是很高，但關(guān)鍵指標(biāo)是比較技術(shù)的功率貢獻(xiàn)與電池的成本平衡?？紤]到自供電設(shè)備，三個(gè)太陽(yáng)能收集領(lǐng)域是電池、空間和模塊效率。

電池效率是指根據(jù)其預(yù)期的太陽(yáng)能負(fù)載設(shè)計(jì)尺寸以產(chǎn)生超過(guò)給定光伏電池的最高瓦數(shù)的單個(gè)電池。工程師優(yōu)化功率輸出與單位面積的比率以提高效率。第三個(gè)領(lǐng)域是模塊效率，在效率計(jì)算中考慮了整個(gè)系統(tǒng)。提高太陽(yáng)能收集效率的最有效方法是針對(duì)電池級(jí)別。使用先進(jìn)的光伏材料可最大限度地提高電池效率。雖然提高系統(tǒng)效率有時(shí)會(huì)與預(yù)算限制發(fā)生沖突，但工程師可以定位更高效的電池材料以實(shí)現(xiàn)更高的功率差異，從而在給定的功率條件下產(chǎn)生最佳效率。

運(yùn)動(dòng)效率

壓電材料的極限強(qiáng)度限制了它可以處理的加速度。該水平定義了材料的功率密度并確定了功率輸出的上限。最大功率輸出出現(xiàn)在材料的共振頻率處。

接下來(lái)，為了優(yōu)化能量收集效率，必須注意效率和功率輸出都與頻率密切相關(guān)。由于材料決定了輸出功率水平，基頻指導(dǎo)著壓電元件的設(shè)計(jì)。將壓電能量收集解決方案調(diào)整到其共振頻率可最大限度地減少可用于重新捕獲的能量的破壞性波干擾，從而最大限度地提高功率輸出和效率。

熱效率

塞貝克效應(yīng)——將熱量直接轉(zhuǎn)化為電能——是熱電能量收集的指導(dǎo)原則。熱力學(xué)表明，在高溫差條件下，熱電能量收集效率最高。該梯度是能量傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)潛力，可實(shí)現(xiàn)高功率密度解決方案。然而，特別是在人體接觸能量收集器中，實(shí)現(xiàn)顯著的溫差 (ΔT) 是不切實(shí)際的。

如果 ΔT 不能提供高效的能量收集，功率轉(zhuǎn)換和熱導(dǎo)率是其他可以提高效率的杠桿。較厚的材料傳輸更多的能量（傳導(dǎo)），而低損耗的能量轉(zhuǎn)換減少了將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量時(shí)普遍存在的低效率。

帶走

能量收集是在低功耗應(yīng)用中消除電池的關(guān)鍵一步。為了確保商業(yè)上可行的景觀，您應(yīng)該最大限度地提高收集過(guò)程的效率，以盡可能多地從能源中提取有用的功。

當(dāng)前的超低功耗 (ULP) MCU 能量收集解決方案可實(shí)現(xiàn)約 10% 的效率。這種低效的能量轉(zhuǎn)換使得能量回收對(duì)于每平方厘米幾十微瓦的 ULP 用例來(lái)說(shuō)是可行的。您對(duì)每種傳統(tǒng)電子能量收集方法如何回收能量的了解有助于您了解該方法完全淘汰應(yīng)用程序電池的可能性。

Adam Kimmel 作為執(zhí)業(yè)工程師、研發(fā)經(jīng)理和工程內(nèi)容撰寫人擁有近 20 年的經(jīng)驗(yàn)。他在垂直市場(chǎng)（包括汽車、工業(yè)/制造、技術(shù)和電子）中創(chuàng)建白皮書、網(wǎng)站副本、案例研究和博客文章。Adam 擁有化學(xué)和機(jī)械工程學(xué)位，是工程和技術(shù)內(nèi)容寫作公司 ASK Consulting Solutions, LLC 的創(chuàng)始人和負(fù)責(zé)人。

審核編輯黃宇