能量采集：当前技术还是未来技术？
中心议题：
- 用于采集的能源
- 热能到电能的转换
- 压电设备
- 当前的能量采集设备
在开发电池供电的终端产品时，设计工程师可能将大量时间和努力用在尝试减少功耗和延长电池寿命上。 对于某些便携式产品（例如用于安装在难以到达的位置中的无线传感器），产品的使用寿命可能由设备电池放电花费的时间决定。 在这种情况下，减小功耗（甚至仅减小几毫瓦）非常重要。
谨慎的电源管理（例如采用最有效地使用睡眠模式及其它减少功耗模式的方法）将对应用消耗的整体能量产生显著作用。 图 1 显示了增加处于睡眠模式的时间产生的影响。这可以显著延长电池寿命，在某些情况下，还能使应用在定义的整个寿命时间中运行，无需更换电池。
图 1： IC 组件处于完全打开（左）、睡眠模式（中）和 80% 睡眠模式和20% 打开模式的组合（右）时的功耗。
但是，有一个理论上的备选方案： 能量采集为便携式或远程安装产品提供长久自主寿命承诺，并且不会产生任何开销，例如更换电池或取出服务中的装置以从主电源插座再充电。 如果可以投入使用，能量采集可以提供密集型节能设计不具备的功能： 不会中断的便携式电源。
能量采集系统的工作原理是收集能量以将其存储在电池中： 系统通常由电池供电，而非由能量采集器直接供电。因此，能量采集器供电的系统实际上在结构方面非常类似于传统的电池供电产品（参阅图 2）。
图 2： 由环境能量供电的低功率系统架构
用于采集的能源
目前，用于能量采集的各种技术正处于不同开发阶段。 从日光或人造光及无线电波采集能量的商业设备比比皆是。另一方面，相关研究也正在进行，力求来自环境热量、压力甚至血糖的能量采集在商业上切实可行。
太阳能光伏 (PV) 面板是能量采集最为成熟的技术。 照射在太阳能电池表面的光子由半导体（一般为硅）吸收。 电子从其原子上分离，产生低压情况下的可测量直流电流。多个电池连接到一起以形成提供较高输出功率和 DC 电压的面板，该面板可用于为计算器、手表或无线传感器等系统的电池充电。
太阳能电池板转换光能的效率不断提高。 到达太阳能电池板的太阳能大约为 1kW/m2。 太阳能电池板的平均效率已知约为15%，设计工程师还必须估计电池板暴露在阳光下的时间，以计算其实际能够生成的能量。
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热能到电能的转换
1821 年，托马斯约翰塞贝克发现罗盘针在置于温度不同的两个导体之间时会移动。 这是因为热梯度在两个导体之间形成的电压产生了磁场。 后续的研究表明，此“塞贝克效应”在碲化铋中特别强。
塞贝克效应产生的电压可以用以下方程式表示：
其中，SA 和 SB 是两个导体的塞贝克系数
形成的电压大约为每开尔文几微伏。 图 3 显示了热电生成电路原理图。 为实现能量采集目的，热量可以来自多种来源： 例如壁炉、汽车尾气和人体。 在各种情况下，热电系统都将提供清洁能源，因为其使用环境热量来源。在 5°C 的温度梯度下工作时，人体热量已被证明能生成40μW（3V 时）的能量。
热电生成器的最大问题是将热能转换为电能的效率较低。研究开发可在高温下工作且不会导热和导电的新材料可能会使热电成为更加切实可行的能量采集选项，但是就目前而言，其实际用途有限。
压电设备
机械能采集也处于实施的早期阶段。 凭借压电效应，电子电路可以从人体运动、地震振动、噪音和海水波动等来源获取能量。 钛酸钡 (BaTiO3) 和 PZT 陶瓷都具有较强的压电特性，适用于能量采集设备。
机械能采集离商业化有一定距离，而最近出现了一些有趣的概念验证。例如，技术演示显示 TV 红外遥控器可由压电能量采集器供电。此效应反过来也起作用： 石英钟和晶体振荡器通过使用压电效应生成频率，因为应用于石英的电压引起自然摆动，频率由石英晶体大小和形状决定。
图 3： 温度梯度通过塞贝克效应在电路中产生电压
图 4： Powercast 能量采集器的转换效率<上一页123下一页> 关键字：能量 采集 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80017755?page=2
血糖
人体已被引证为机械能和热能采集的来源。 有趣的实验也显示，血糖可以用于为设备供电。 所谓“生物燃料”可以使用血的氧化产生能量。 法国的研究人员已在实验中对老鼠通过此方法生成 6.5μW 的能量；起搏器一般仅消耗10μW 的能量。
当前的能量采集设备
许多采集技术仍是开发工作的重点。 但是，OEM 可以利用现成商用组件实施当前切实可行的能量采集电源系统。小型电子设备的无线电频率 (RF) 和太阳能采集目前都受到组件制造商的支持。 就 RF 能量采集而言，美国制造商Powercast 提供了 P1110 和 P2110，它们能将 850MHz 至950MHz 频率范围内的无线电发射转换为输出电压介于 1.8V与 4.2V 之间的 DC 电能，如图 4 所示。设备可以使用 1GHz以下频率波段中的杂散 RF 发射提供功率输出，以便为嵌入主机设备的电池充电。 无线传感器是通过 P1110 或 P2110使用环境 RF 能量的典型终端产品。
Powercast 表示，大多数应用需要专用 RF 发射器（其可提供）以便为设备供电，提供“远程电源”来源。 这使设备可以拥有永久充电的电池，而无需更换电池或将应用连接至主电源。
对于太阳能采集， I X Y S 是太阳能电池板和太阳能电池的领先提供商。例如，其 10mm x 4mm PV 太阳能电池单片串CPC1824 能在阳光直射下提供 4V 输出和
100μA 短路电流。这适用于在能量采集电路中为电池充电。
结论： 目前的能量采集
某些能量采集设备仍在开发当中，但是，目前可以开发通过环境 RF 或光能供电的现实终端产品。不断改进 Powercast 和IXYS 等供应商提供的商用产品的性能将
使能量采集未来适用于更广泛的应用。
目前的能量采集设备的确只能产生非常小的能量输出。因此，采用有效管理活动和睡眠模式等久经考验的节能方法（像用于普通电池供电系统的设计一样），以及仔细注意负载范围中的能量转换效率将有助于确保能量采集设备能够符合所需的功率预算要求。<上一页123 关键字：能量 采集 本文链接：http://www.cntronics.com/public/art/artinfo/id/80017755?page=3
