中心議題：

• 用於采集的能源
• 熱能到電能的轉換
• 壓電設備
• 當前的能量采集設備

在開發電池供電的終端產品時，設計工程師可能將大量時間和努力用在嚐試減少功耗和延長電池壽命上。 對於某些便攜式產品（例如用於安裝在難以到達的位置中的無線傳感器），產品的使用壽命可能由設備電池放電花費的時間決定。 在這種情況下，減小功耗（甚至僅減小幾毫瓦）非常重要。

謹慎的電源管理（例如采用最有效地使用睡眠模式及其它減少功耗模式的方法）將對應用消耗的整體能量產生顯著作用。 圖 1 顯xian示shi了le增zeng加jia處chu於yu睡shui眠mian模mo式shi的de時shi間jian產chan生sheng的de影ying響xiang。這zhe可ke以yi顯xian著zhu延yan長chang電dian池chi壽shou命ming
，在zai某mou些xie情qing況kuang下xia，還hai能neng使shi應ying用yong在zai定ding義yi的de整zheng個ge壽shou命ming時shi間jian中zhong運yun行xing，無wu需xu更geng換huan電dian池chi。

但是，有一個理論上的備選方案： nengliangcaijiweibianxieshihuoyuanchenganzhuangchanpintigongchangjiuzizhushoumingchengnuo，bingqiebuhuichanshengrenhekaixiao，lirugenghuandianchihuoquchufuwuzhongdezhuangzhiyicongzhudianyuanchazuozaichongdian。 如果可以投入使用
，能量采集可以提供密集型節能設計不具備的功能： 不會中斷的便攜式電源。

能量采集係統的工作原理是收集能量以將其存儲在電池中： 係統通常由電池供電
，而非由能量采集器直接供電。因此，能量采集器供電的係統實際上在結構方麵非常類似於傳統的電池供電產品（參閱圖 2）。

用於采集的能源

目前，用於能量采集的各種技術正處於不同開發階段。 從日光或人造光及無線電波采集能量的商業設備比比皆是。另一方麵，相關研究也正在進行，力求來自環境熱量
、壓力甚至血糖的能量采集在商業上切實可行。

太陽能光伏 (PV) 麵板是能量采集最為成熟的技術。 照射在太陽能電池表麵的光子由半導體（一般為矽）吸收。 電子從其原子上分離
，產生低壓情況下的可測量直流電流。多個電池連接到一起以形成提供較高輸出功率和 DC 電壓的麵板，該麵板可用於為計算器、手表或無線傳感器等係統的電池充電。

太陽能電池板轉換光能的效率不斷提高。 到達太陽能電池板的太陽能大約為 1kW/m2。 太陽能電池板的平均效率已知約為15%，設計工程師還必須估計電池板暴露在陽光下的時間，以計算其實際能夠生成的能量。
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熱能到電能的轉換

1821 年，托馬斯約翰塞貝克發現羅盤針在置於溫度不同的兩個導體之間時會移動。 這是因為熱梯度在兩個導體之間形成的電壓產生了磁場。 後續的研究表明

，此“塞貝克效應”在碲化鉍中特別強。

塞貝克效應產生的電壓可以用以下方程式表示：

其中，SA 和 SB 是兩個導體的塞貝克係數

形成的電壓大約為每開爾文幾微伏。 圖 3 顯示了熱電生成電路原理圖。 為實現能量采集目的

，熱量可以來自多種來源： 例如壁爐、汽車尾氣和人體。 在各種情況下，熱電係統都將提供清潔能源，因為其使用環境熱量來源。在 5°C 的溫度梯度下工作時，人體熱量已被證明能生成40μW（3V 時）的能量。

熱(re)電(dian)生(sheng)成(cheng)器(qi)的(de)最(zui)大(da)問(wen)題(ti)是(shi)將(jiang)熱(re)能(neng)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)能(neng)的(de)效(xiao)率(lv)較(jiao)低(di)。研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)可(ke)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)工(gong)作(zuo)且(qie)不(bu)會(hui)導(dao)熱(re)和(he)導(dao)電(dian)的(de)新(xin)材(cai)料(liao)可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)熱(re)電(dian)成(cheng)為(wei)更(geng)加(jia)切(qie)實(shi)可(ke)行(xing)的(de)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)選(xuan)項(xiang)，但(dan)是(shi)就(jiu)目(mu)前(qian)而(er)言(yan)，其(qi)實(shi)際(ji)用(yong)途(tu)有(you)限(xian)。

壓電設備

機械能采集也處於實施的早期階段。 憑借壓電效應
，電子電路可以從人體運動、地震振動、噪音和海水波動等來源獲取能量。 鈦酸鋇 (BaTiO3) 和 PZT 陶瓷都具有較強的壓電特性，適用於能量采集設備。

機械能采集離商業化有一定距離

，而最近出現了一些有趣的概念驗證。例如，技術演示顯示 TV 紅外遙控器可由壓電能量采集器供電。此效應反過來也起作用： 石英鍾和晶體振蕩器通過使用壓電效應生成頻率，因為應用於石英的電壓引起自然擺動，頻率由石英晶體大小和形狀決定。
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血糖

人體已被引證為機械能和熱能采集的來源。 有趣的實驗也顯示，血糖可以用於為設備供電。 所謂“生物燃料”可以使用血的氧化產生能量。 法國的研究人員已在實驗中對老鼠通過此方法生成 6.5μW 的能量；起搏器一般僅消耗10μW 的能量。

當前的能量采集設備

許多采集技術仍是開發工作的重點。 但是，OEM 可以利用現成商用組件實施當前切實可行的能量采集電源係統。小型電子設備的無線電頻率 (RF) 和太陽能采集目前都受到組件製造商的支持。 就 RF 能量采集而言，美國製造商Powercast 提供了 P1110 和 P2110


，它們能將 850MHz 至950MHz 頻率範圍內的無線電發射轉換為輸出電壓介於 1.8V與 4.2V 之間的 DC 電能，如圖 4 所示。設備可以使用 1GHz以下頻率波段中的雜散 RF 發射提供功率輸出
，以便為嵌入主機設備的電池充電。 無線傳感器是通過 P1110 或 P2110使用環境 RF 能量的典型終端產品。

Powercast 表示
，大多數應用需要專用 RF 發射器（其可提供）以便為設備供電，提供“遠程電源”來源。 這使設備可以擁有永久充電的電池
，而無需更換電池或將應用連接至主電源。

對於太陽能采集， I X Y S 是太陽能電池板和太陽能電池的領先提供商。例如


，其 10mm x 4mm PV 太陽能電池單片串CPC1824 能在陽光直射下提供 4V 輸出和
100μA 短路電流。這適用於在能量采集電路中為電池充電。

結論： 目前的能量采集

某些能量采集設備仍在開發當中，但是
，目前可以開發通過環境 RF 或光能供電的現實終端產品。不斷改進 Powercast 和IXYS 等供應商提供的商用產品的性能將
使能量采集未來適用於更廣泛的應用。

目前的能量采集設備的確隻能產生非常小的能量輸出。因此，采用有效管理活動和睡眠模式等久經考驗的節能方法（像用於普通電池供電係統的設計一樣），以及仔細注意負載範圍中的能量轉換效率將有助於確保能量采集設備能夠符合所需的功率預算要求。