如何最大限度地提高电子设备中能量收集的效率

能量收集是工程中的一个基本概念。吸收多余的废物或可用能源并将其回收用于有用的工作是有意义的，可以延长电源的使用寿命。对于交通运输等大型应用，实施额外的硬件来回收废热可以将整体系统效率提高百分之一（< 10%）。在这里，商业案例是车辆的数量和将热量转化为工作而不是将其释放到大气中的净正面环境效益。

对于电子产品，类似的低能量转换效率 (10%) 阻碍了能量收集器在低功率应用中的适用范围。超低功耗 MCU 的功率贡献限制了能量收集可以替代的电池大小，大约为 1-1,000 µW/cm 2。尽管如此，提高电子能量收集的能量转换效率的技术挑战仍然可以提高设备的性能，并通过显着提高效率来延长或更换电池寿命。

必须区分最大功率和最大效率。虽然提高转换效率会增加相同输入能量的功率，但这种情况不一定与最高功率一致。以下是一些优化典型超低功耗 MCU 能量收集器以实现最高效率的方法。

太阳能效率

适用于电子可再生能源收集的应用包括可穿戴技术和离网无线传感器网络。尽管这些用例的能量收集效率不是很高，但关键指标是比较技术的功率贡献与电池的成本平衡。考虑到自供电设备，三个太阳能收集领域是电池、空间和模块效率。

电池效率是指根据其预期的太阳能负载设计尺寸以产生超过给定光伏电池的最高瓦数的单个电池。工程师优化功率输出与单位面积的比率以提高效率。第三个领域是模块效率，在效率计算中考虑了整个系统。提高太阳能收集效率的最有效方法是针对电池级别。使用先进的光伏材料可最大限度地提高电池效率。虽然提高系统效率有时会与预算限制发生冲突，但工程师可以定位更高效的电池材料以实现更高的功率差异，从而在给定的功率条件下产生最佳效率。

运动效率

压电材料的极限强度限制了它可以处理的加速度。该水平定义了材料的功率密度并确定了功率输出的上限。最大功率输出出现在材料的共振频率处。

接下来，为了优化能量收集效率，必须注意效率和功率输出都与频率密切相关。由于材料决定了输出功率水平，基频指导着压电元件的设计。将压电能量收集解决方案调整到其共振频率可最大限度地减少可用于重新捕获的能量的破坏性波干扰，从而最大限度地提高功率输出和效率。

热效率

塞贝克效应——将热量直接转化为电能——是热电能量收集的指导原则。热力学表明，在高温差条件下，热电能量收集效率最高。该梯度是能量传输的驱动潜力，可实现高功率密度解决方案。然而，特别是在人体接触能量收集器中，实现显着的温差 (ΔT) 是不切实际的。

如果 ΔT 不能提供高效的能量收集，功率转换和热导率是其他可以提高效率的杠杆。较厚的材料传输更多的能量（传导），而低损耗的能量转换减少了将一种形式的能量转换为另一种形式的能量时普遍存在的低效率。

带走

能量收集是在低功耗应用中消除电池的关键一步。为了确保商业上可行的景观，您应该最大限度地提高收集过程的效率，以尽可能多地从能源中提取有用的功。

当前的超低功耗 (ULP) MCU 能量收集解决方案可实现约 10% 的效率。这种低效的能量转换使得能量回收对于每平方厘米几十微瓦的 ULP 用例来说是可行的。您对每种传统电子能量收集方法如何回收能量的了解有助于您了解该方法完全淘汰应用程序电池的可能性。

Adam Kimmel 作为执业工程师、研发经理和工程内容撰写人拥有近 20 年的经验。他在垂直市场（包括汽车、工业/制造、技术和电子）中创建白皮书、网站副本、案例研究和博客文章。Adam 拥有化学和机械工程学位，是工程和技术内容写作公司 ASK Consulting Solutions, LLC 的创始人和负责人。

审核编辑 黄宇