什么是能量收集？能量收集工作原理、能量收集技术和能源类型介绍

能量收集技术包括从周围环境中收集少量能量（如光、热、声音、无线电波、振动和运动），并将其转换为电能。

能量收集并不是一个新的解决方案。自从第一批将能量转换为电能的电子元件和传感器出现以来，（如光伏电池和珀尔帖模块），设计师们就对其产生了兴趣。然而，由于其效率有限且回收的能量难以储存，能量收集很少在实际应用中得到应用。

随着物联网（IoT）的出现，集成电路技术的新进展为能量收集带来了新的潜力。过去，能量收集在电路能耗中几乎可以忽略不计，但如今，先进的组件使得我们可以切实考虑通过能量收集来显著提高应用的能效，或在一些设备（如物联网无线传感器节点）中完全消除对电池的使用。

能量收集可以成为新应用接受率的关键优势：

• 无需更换电池，减少了维护工作
• 无需使用电池，更加环保
• 为偏远或水下站点的应用带来新机遇
• 降低运营成本

无论收集多少能量，捕获和转换过程基本上是相同的。它包括四个要素：

• 换能器：将能量转换为电能
• 信号处理电路：对信号进行对齐和放大
• 储能元件：如超级电容器
• 电源管理单元：通过控制存储元件的充电和放电来优化回收

我们的环境中提供了几种很少被利用的能量来源。有些能源非常有前景，因为它们在环境中非常丰富，例如光、振动、射频波和热源。让我们更详细地探讨每种可能的能量收集系统：

自然光或人造光

基于光伏效应的技术使我们能够捕获和转换太阳光或人造光能量。尽管其能量转换率相对较低（不超过20%），但它仍是目前较为先进的能量收集方法。目前，它的功率与表面积比率可达100mW/cm²。研究仍在蓬勃发展，以提高效率并开辟新的可能性。近年来，新材料如非晶硅（aSi）和铜铟硒（CIS）涌现出来，它们具有更有利的机械特性，且成本低于多晶硅和单晶硅，后者会对效率产生妥协。

这项技术通常用于为恶劣环境中的传感器供电。在这种情况下，太阳能电池板的面积仅为几平方厘米，它提供的大部分能量来自光伏效应。这项技术可以在室内使用，但其效率会降低约1,000倍。非晶硅是非常适合的材料。

振动

振动在许多环境中都存在，特别是在工业环境中。工厂里到处都有环境振动，这为实施未来工业（工业4.0）提供了真正的机会，而这需要使用大量的传感器。振动到电的转换可以基于四种类型的传感器进行——电磁、静电、磁致伸缩和压电。

在功率与表面积之比为100μW/cm2的情况下，振动能量的收集在许多其他领域也是可行的。以下是一些例子：

• 利用人体的动能，为可穿戴设备供电
• 从按键动作中收集能量，为遥控器的操作提供所需的电源
• 利用火车通过时产生的振动为铁路轨道周围的传感器供电

射频波

环境中有无数的射频波，同时也有许多从射频波中收集能量的机会。同样，利用射频能量为小型设备供电并不是一个新现象。射频识别（RFID）就是一个实际的例子，已经存在好几年了。该系统的工作原理是基于电磁能量的转移。

近年来，随着蜂窝和Wi-Fi通信的到来，无线电频率的存在增加了十倍。这种可用的能源具有巨大的潜力，集成电路制造商也对此感兴趣。他们现在提供接收电路，旨在收集这种能量，将RF信号转换为DC电信号。提供RF到CC信号转换的整流天线模块（天线/整流器）是专门为此目的制造的。

当然，这种类型的能量回收是超低功耗应用的潜在资源，也是更高要求设计的备用电源。例如，我们希望通过从1米外放置的1W发射器回收能量来获得1微瓦的功率。

热能

我们周围的环境中有大量的热源。主要来源与人类活动有关，如电子设备、发动机和机械系统的加热。所有这些能量都可以通过热电效应转化为电能。

热电技术基于19世纪发现的塞贝克效应和珀耳帖效应，即材料结合力。首个实际应用是在1950年推向市场的，但由于产量低而无法进一步发展。然而，近几十年来对能源效率的关注为研究注入了新的活力。

近年来取得了一些小进展，包括发现了基于碲化铅纳米结构的新材料，提高了转换效率。然而，这些重金属材料易碎、稀有且昂贵。因此，研究继续寻找低成本的替代品。不过，与其他能源一样，电路的低功耗也提供了新的潜力：

• 捕捉人体的温度为可穿戴设备、联网手表或联网医疗设备（如起搏器）供电
• 利用车辆释放的热量为各种传感器供电

未来几年，联网设备将越来越受欢迎。然而，我们只有在这些电路能够从其运行环境中获取能量时才能使用它们。同时，在转换效率进一步提高的同时，电子和半导体制造商提供了越来越经济的电路和潜在的多源能量回收管理解决方案，以提高物联网应用的能源效率。

现在，对于希望有效减少设计对能源影响的电子应用开发人员来说，能量收集不再是一个令人沮丧的问题。