關(guān)于能量收集新技術(shù)分析

隨著手機從無線模擬電話演變成現(xiàn)在的智能手機，消費者們對能源消耗的需求越來越高，例如網(wǎng)頁瀏覽、視頻、游戲以及電郵同時還希望能夠延長電池的續(xù)航。因為電池制造商難有突破，所以半導(dǎo)體制造商設(shè)計了許多省電的技術(shù)才滿足上述需求。

低功耗一直是最近十年最重要的電子設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。多虧了摩爾定律以及眾多聰明的工程師，半導(dǎo)體功耗水平呈直線下降的趨勢，通常，在運行模式下功耗降到毫瓦級，在待機模式下功耗降到毫微瓦級。其直接導(dǎo)致的結(jié)果就是超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最終成為可能，且獲廣泛采用?，F(xiàn)在，傳感器主要應(yīng)用在偏遠地區(qū)甚至人跡罕至的地方，產(chǎn)生建筑和橋梁壓力，空氣污染，森林防火，山體滑坡，軸承磨損，以及機翼震動等告警信號。低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的工業(yè)，醫(yī)療，以及商業(yè)應(yīng)用的核心。

不過，離網(wǎng)的以及便攜式傳感節(jié)點，依舊依賴于電池供電，并且面臨與手機一樣的問題。所以最好可以通過收集周圍的能量來延長電池的續(xù)航時間，最常見的如光，熱，振動，運動或者周圍的射頻等。如果一個設(shè)備的能源需求比較低，并且電池更換比較困難或者昂貴，那就可以完全不使用電池，而是專門依賴于收集周圍的環(huán)境能源作為供電。超級低功耗的MCU和能源收集的合力拓展了豐富的應(yīng)用，而在以前這是不可能實現(xiàn)的。

能量收集市場非常巨大且保持快速增長。根據(jù)IDTechEx分析師預(yù)計，能量收集在2012年是7億美元，并且到2022年將超過50億美元。到那時，有2.5億個傳感器將由能量收集來供電。到2023年，僅熱電能源收集市場就將達到8.65億美元。

當(dāng)前技術(shù)和應(yīng)用

有幾個常用的能量收集技術(shù)，有一些創(chuàng)新技術(shù)才剛剛起步。最普普通通的能源是、熱、振動以及射頻。小的屋頂太陽能電板，不能產(chǎn)生巨大的能量（看圖1），但是更多的太陽能電板在特殊環(huán)境中也許就能給低功耗設(shè)備供電。

圖1，可用供電的能量收集資源

太陽能技術(shù)

幾乎每一個家庭或者辦公室都至少有一個太陽能計算器，實際上，是一個帶有鈕扣電池和一個小的光伏面板的計算器。這些多晶硅或者薄膜電池將光能轉(zhuǎn)化成電能，其效率對于多晶硅是大約15%到20%。對于薄膜電池大約是6%到12%。因為來自室內(nèi)照明的可用電耗通常只有10uW/cm2，他們的效用取決于模塊的大小以及光譜組成。

小型太陽能電池經(jīng)常用于消費和工業(yè)應(yīng)用，包括玩具、手表、計算器、街道照明控制、便攜電源，以及衛(wèi)星。因為光源往往是間歇性的，太陽能電池充電電池和/或超級電容用于提供一個穩(wěn)定的能源。

熱電技術(shù)

熱電收集采取賽貝克效應(yīng)，其電壓是由兩個相異的金屬的連接點存在的溫差產(chǎn)生。熱電能源產(chǎn)生器（TEG）由一個陣列的熱電偶串聯(lián)連接到一個共同熱源如發(fā)動機、熱水器、甚至太陽能電池板。輸出電流取決于TEG的大小和其保持的溫差大小。TEG通常在高溫環(huán)境，如工業(yè)加熱系統(tǒng)，用于給無線傳感器節(jié)點供電。TEG安裝在功率晶體管和它的散熱片之間，這樣可以循環(huán)利用和回收一些能量，否則就會丟失熱量。

Micropelt的TE-CORE7的熱能收集模塊將本地可用 的廢氣熱能轉(zhuǎn)化為能量為低功耗的設(shè)備提供長的運行壽命。

TE-CORE TEG將熱能轉(zhuǎn)化成電荷，然后積累，并存儲在一個100uf的電容中，可達5.5V電壓。達到50°C TE-CORE7每年可以提供6.424 mah，相當(dāng)于3到4節(jié)AA電池，按照這個速度，每隔幾個月就需要換電池。迫使電流流過不同金屬的連接會導(dǎo)致熱量從熱的節(jié)點轉(zhuǎn)移到冷的節(jié)點——珀爾帖效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)在本質(zhì)上是相反的。珀爾帖效應(yīng)是熱電熱泵的基礎(chǔ)。

壓電技術(shù)

壓電傳感器當(dāng)受到壓力時產(chǎn)生電流，這使他們非常適合作為振動傳感器，在檢測發(fā)動機軸承噪音和機翼的振動時用于能量收集模塊。Mide Volture

V-20W振動能量收集器，使用了一個懸臂附在壓電晶體上。在開動過程中，振動時設(shè)置懸臂，它就會產(chǎn)生一個交流輸出電壓，通過校正調(diào)節(jié)，并存儲在一個超級電容器或薄膜電池中。

圖2：Mide Volture 壓電式能源收集器（由Mide公司供圖）