关于能量收集新技术分析

随着手机从无线模拟电话演变成现在的智能手机，消费者们对能源消耗的需求越来越高，例如网页浏览、视频、游戏以及电邮同时还希望能够延长电池的续航。因为电池制造商难有突破，所以半导体制造商设计了许多省电的技术才满足上述需求。

低功耗一直是最近十年最重要的电子设计标准。多亏了摩尔定律以及众多聪明的工程师，半导体功耗水平呈直线下降的趋势，通常，在运行模式下功耗降到毫瓦级，在待机模式下功耗降到毫微瓦级。其直接导致的结果就是超低功耗的无线传感器网络最终成为可能，且获广泛采用。现在，传感器主要应用在偏远地区甚至人迹罕至的地方，产生建筑和桥梁压力，空气污染，森林防火，山体滑坡，轴承磨损，以及机翼震动等告警信号。低功耗无线传感器网络是大量的工业，医疗，以及商业应用的核心。

不过，离网的以及便携式传感节点，依旧依赖于电池供电，并且面临与手机一样的问题。所以最好可以通过收集周围的能量来延长电池的续航时间，最常见的如光，热，振动，运动或者周围的射频等。如果一个设备的能源需求比较低，并且电池更换比较困难或者昂贵，那就可以完全不使用电池，而是专门依赖于收集周围的环境能源作为供电。超级低功耗的MCU和能源收集的合力拓展了丰富的应用，而在以前这是不可能实现的。

能量收集市场非常巨大且保持快速增长。根据IDTechEx分析师预计，能量收集在2012年是7亿美元，并且到2022年将超过50亿美元。到那时，有2.5亿个传感器将由能量收集来供电。到2023年，仅热电能源收集市场就将达到8.65亿美元。

当前技术和应用

有几个常用的能量收集技术，有一些创新技术才刚刚起步。最普普通通的能源是、热、振动以及射频。小的屋顶太阳能电板，不能产生巨大的能量（看图1），但是更多的太阳能电板在特殊环境中也许就能给低功耗设备供电。

Source	Source Power	Harvested Power
Light
Indoor	0.1 mW/cm²	10 µW/cm²
Outdoor	100 mW/cm²	10 mW/cm²
Vibration/Motion
Human	0.5m at 1 Hz
	1m/s² at 50 Hz	4 µW/cm²
Machine	1m at 5 Hz
	10m/s² at 1 kHz	100 µW/cm²
Thermal
Human	20 mW/cm²	30 μW/cm²
Machine	100 mW/cm²	1-10 mW/cm²
RF
GSM BSS	0.3 µW/cm²	0.1 µW/cm²

图1，可用供电的能量收集资源

太阳能技术

几乎每一个家庭或者办公室都至少有一个太阳能计算器，实际上，是一个带有钮扣电池和一个小的光伏面板的计算器。这些多晶硅或者薄膜电池将光能转化成电能，其效率对于多晶硅是大约15%到20%。对于薄膜电池大约是6%到12%。因为来自室内照明的可用电耗通常只有10uW/cm2，他们的效用取决于模块的大小以及光谱组成。

小型太阳能电池经常用于消费和工业应用，包括玩具、手表、计算器、街道照明控制、便携电源，以及卫星。因为光源往往是间歇性的，太阳能电池充电电池和/或超级电容用于提供一个稳定的能源。

热电技术

热电收集采取赛贝克效应，其电压是由两个相异的金属的连接点存在的温差产生。热电能源产生器（TEG）由一个阵列的热电偶串联连接到一个共同热源如发动机、热水器、甚至太阳能电池板。输出电流取决于TEG的大小和其保持的温差大小。TEG通常在高温环境，如工业加热系统，用于给无线传感器节点供电。TEG安装在功率晶体管和它的散热片之间，这样可以循环利用和回收一些能量，否则就会丢失热量。

Micropelt的TE-CORE7的热能收集模块将本地可用 的废气热能转化为能量为低功耗的设备提供长的运行寿命。

TE-CORE TEG将热能转化成电荷，然后积累，并存储在一个100uf的电容中，可达5.5V电压。达到50°C TE-CORE7每年可以提供6.424 mah，相当于3到4节AA电池，按照这个速度，每隔几个月就需要换电池。迫使电流流过不同金属的连接会导致热量从热的节点转移到冷的节点——珀尔帖效应与塞贝克效应在本质上是相反的。珀尔帖效应是热电热泵的基础。

压电技术

压电传感器当受到压力时产生电流，这使他们非常适合作为振动传感器，在检测发动机轴承噪音和机翼的振动时用于能量收集模块。Mide Volture

V-20W振动能量收集器，使用了一个悬臂附在压电晶体上。在开动过程中，振动时设置悬臂，它就会产生一个交流输出电压，通过校正调节，并存储在一个超级电容器或薄膜电池中。

图2：Mide Volture 压电式能源收集器（由Mide公司供图）