常见能量收集技术

能量收集技术不断挑战设计人员能够向系统供电的方式。随着传感器和无线链路的电能要求减弱，作为家庭、工厂车间甚至是人体内部的简易供电方法，能量收集器件的作用愈显重要。 这种情况一直在激励着各种公司和大学的研究人员，他们考虑利用一些极为吸人眼球的全新途径来实现能适应环境的不同发电方法。

这包括热电学——热生电——如美国能源部等机构正与宝马 (BMW)、通用 (GM) 联手，将发动机和尾气废热转换为电能，然后用于车辆的电气系统。 NASA 使用热电器件向火星车供电，这些器件与太阳能电池不同，工作时没有光线。 压电式能量收集器凭借体积小、能效高的特性引起了人们极大的兴趣。 市场研究公司 IDtechEx 称，到 2022 年，这四种能量收集形式在工业检测应用方面的市场份额将大致相同。 到 2024 年，能量收集设备的市场总额将攀升至 26 亿美元。

图 1：能量收集技术的市场发展情况

使用微型风车是一种极为新颖方法，这种器件所采用的技术与手机中实现最新加速计的技术相同。 来自美国德克萨斯州大学的一位研究助理兼电气工程教授设计出一种能产生风能的微型风车。据称，该器件可用于为手机电池充电。

压电式心脏电源

压电式晶体是一种与众不同的技术，正被用来向能保持心脏正常工作的心脏起搏器提供电力。
从人工电子耳蜗到可植入除颤器，人们已经开发出用于在人体内执行许多功能的电子器件。 现在，这些器件几乎都是依靠一些电力会最终耗尽的电池供电。 对于心脏起搏器来说，电池供电寿命为 6 到 10 年。 更换电池时不可避免地要进行手术，且风险大、费用高。
现在，美国和中国的研究人员已开发出一种能够利用人体自然运动收集能量的柔性压电式植入物。 该研究团队希望这类器件有一天能向不同的医疗植入物提供电力。 在牛和羊身上进行的试验表明，他们的器件已能利用这些动物的心跳收集足够的能量，向现代心脏起搏器供电。

从原理上讲，能够发电的器件可以永久工作。 人体内最明显的能量源是一些有器官的规律运动，如心脏、肺或隔膜。 不过，对机械式能量收集器的要求极其严苛——能产生足够的电力向植入物供电，但不能干扰人体的自然运动。 能量收集器固定在心脏上时这一问题将尤为重要，因为从心脏外部施加压力会导致心跳异常，这就是通常需要通过植入心脏起搏器来应对的情况。
压电式能量收集技术已经有象 Midé Volture V21BL 这样的器件运用到工业应用中。 晶体会与振动的物体产生共振，产生足够的电流后向传感器供电。 大幅减小这类器件（包括电源管理器件）的体积并使其与人体组织相容，是研究人员正在攻克的一大难题。

咔哒动作向无线链路供电

在稍大规模上，德国能量收集专业公司 EnOcean 开发出一种低成本能量收集开关，例如该公司的 Dolphin 系统，可向一个 2.4 GHz 无线链路供电。

一方面，这种 2.4 GHz 演示器包括一个低成本能量收集双通道开关和一个用于向该开关发出指令的 NFC（近场通讯）无线电芯片，其中，双通道开关集成了一个 2.4 GHz RF 芯片，用于与传感器节点通讯。 而在该演示器的另一端，则是一块具有 LED 和控制电子器件的电路板，在按下开关时接收“启动/关断”信息。
利用 NFC 芯片，安装人员，甚至是客户也能通过任何支持 NFC 的智能手机配置该开关。 由于该开关不需要任何接线且范围达到 3 km，因此在许多家庭自动化或工业应用中都能看到这些器件的身影。 目前，这项研究仅用来说明一个简单的成品能量收集开关可以在免牌照 ISM 频段中向无线链路提供电力。

总结

诸如 EnOcean 之类公司在减少功率要求方面所展示的成果，正推动新型能量收集技术的研究。 通过一连串微型风机用风力为手机发电，尽管这种想法听起来有些怪异，但它说明了主流 MEMS 技术能用到新型发电方法中。 这会影响电源管理芯片及子系统的设计和开发，象来自 STMicroelectronics 的新型器件组合在一起可通过宽输入范围支持不同的能量收集技术。 正如 EnOcean 所展示的那样，这些能量收集技术现在可以链接到现有的无线技术，如 Sigma Designs 的 Z-Wave，从而进入已有的成熟市场。 无论是针对家庭、工业应用，还是针对医疗应用开发超低功耗系统，设计人员都有大量无需电池的供电器件选择。