环境能量就在我们身边 ── 您获得自己的那份吗?

Tony Armstrong
产品市场总监
电源产品
凌力尔特公司

引言

在我们周围的世界里存在着许许多多的环境能量，能量收集的传统方法一直是借助太阳能电池板和风力发电机。不过，新的收集工具允许我们利用各种各样的环境能量源来产生电能。而且，重要之处不是电路的能量转换效率，而更多地是在于可为其供电的"平均收集"能量值。例如：热电发生器可将热量转换为电力、压电元件可转换机械振动、光伏元件用于转换阳光 (或任何光子源)、而流电元件则可从湿气实现能量转换。这使得能够给远程传感器供电或对电能存储器件 (例如：电容器或薄膜电池) 进行充电，从而可为微处理器或发送器实施远程供电，而无需使用本地电源。

有人或许会认为：在整个能量采集过程中 DC/DC 转换器电路的转换效率是最为关键的因素；然而事实情况并非如此。整个无线传感器节点 (WSN) 的转换效率才是最重要的。推理过程十分简单；通过获知可向系统提供之环境能量的多少，即可确定任意读取和传送操作的占空比。因此，对于任何给定的应用，决定实现方案之实用性的正是该"整体转换"效率。


存在多少可收集的能量?

最先进和现成有售的能量收集技术 (例如：振动能量收集和室内光伏单元) 在典型工作条件下产生 mW 量级的功率。这么低的功率似乎用起来很受限，但是若干年来收集组件的工作可以说明，无论就能量供应还是就所提供的每能量单位的成本而言，这些技术大体上与长寿命的主电池类似。此外，采用能量收集的系统一般能在电能耗尽后再充电，而这一点主电池供电的系统是做不到的。

环境能源包括光、温差、振动波束、已发送的RF信号，或者几乎任何其他能通过换能器产生电荷的能源。表 1 列出了从不同能量源可产生的能量。


表 1：能量源及其所能产生的能量值

能量源	所产生的典型能量级别	典型应用
小型太阳能电池板	几百 mW/cm2 (直射阳光)	手持式电子设备
小型太阳能电池板	几百 µW/cm2 (非直射阳光)	手持无线传感器
塞贝克 (Seebeck) 器件 (用于将热能转换为电能)	几十 µW/cm2 (体热)	远程无线传感器
塞贝克器件	几十 mW/cm2 (高炉排气烟囱)	远程无线执行器
压电器件 (通过器件的挤压或挠曲来产生能量)	几百 µW/cm2	手持式电子设备或远程无线执行器
来自天线的射频 (RF) 能量	几百 pW/cm2	远程无线传感器

在许多应用中，此类功率等级对于系统部署而言都是有意义的。以下只是几个例子：

1)    飞机腐蚀传感器
2)    自动调光车窗
3)    桥梁监测器
4)    楼宇自动化
5)    用电量表
6)    气体传感器
7)    健康监测仪
8)    HVAC 控制器
9)    光开关
10)     远程管线监控器
11)     手表
12)     水表