【導(dǎo)讀】能量收集(energy harvesting)是指從環(huán)境或系統(tǒng)本身，收集為電子設(shè)備供電所需的能量；更具體地說(shuō)，熱能收集是將收集自發(fā)熱源的熱能，轉(zhuǎn)化為電能。
能量收集是指從環(huán)境或系統(tǒng)本身，收集為電子設(shè)備供電所需的能量；更具體地說(shuō)，熱能收集是將收集自發(fā)熱源的熱能，轉(zhuǎn)化為電能。
熱能收集的好處包括：
可望免除配備電池，這對(duì)于便攜設(shè)備和低功耗應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤其重要。
可望打造自給自足(從能源角度來(lái)看) 的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；這對(duì)開(kāi)發(fā)不必利用充電電池即可連續(xù)運(yùn)行的獨(dú)立、移動(dòng)設(shè)備至關(guān)重要。通過(guò)降低維護(hù)和電池更換的需求，熱能收集可支持應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)或大城市基礎(chǔ)建設(shè)中不易觸及的智能檢測(cè)設(shè)備。
可望為醫(yī)療和消費(fèi)性應(yīng)用帶來(lái)打造全新可穿戴解決方案的機(jī)會(huì)。
發(fā)展綠色能源技術(shù)，以減少石化燃料的使用與降低溫室氣體排放量。
應(yīng)用
能量收集技術(shù)可用于為各種傳感器和電子設(shè)備提供自主可再生能源，使其能夠利用溫差產(chǎn)生能量。利用效率越來(lái)越高的元器件，將為充分利用熱能收集的新解決方案鋪路。
在可穿戴系統(tǒng)中，用于熱能收集技術(shù)的一個(gè)有趣方法是利用熱能來(lái)產(chǎn)生一些小電流，這實(shí)際上利用的是人體溫度和環(huán)境溫度之間的溫度差。無(wú)論是在自然環(huán)境還是人工環(huán)境中，到處都存在溫度差。利用這些溫差或梯度都可以產(chǎn)生熱電能。
熱能
根據(jù)能量守恒的物理定律，能量可能會(huì)從某種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式；因此從各種環(huán)境能源中取得能量是有可能的。
在人們生活周?chē)沫h(huán)境中，充滿了溫度和熱量的變化。發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣產(chǎn)生的熱、土壤產(chǎn)生的地?zé)?、鋼鐵廠冷卻水產(chǎn)生的熱，以及其他工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)都是典型案例。利用熱電發(fā)電機(jī)(TEG)和其他一些電子設(shè)備，就可以把熱能轉(zhuǎn)化為電能，還可以將之保留于儲(chǔ)存設(shè)備中。TEG的基本原理是將熱流(由溫差引起)轉(zhuǎn)換為電能，非常適合體積通常非常小、沒(méi)有移動(dòng)部件(固態(tài))的低功耗嵌入式設(shè)備。
塞貝克效應(yīng)
塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect，又稱(chēng)第一熱電效應(yīng))是在某種材料兩側(cè)之間存在溫度梯度時(shí)，電壓因此產(chǎn)生的過(guò)程。TEG的基本組件是PN結(jié)，由熱電材料P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的單結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)電氣串聯(lián)連接，并摻雜硼(P型半導(dǎo)體)和磷(N型半導(dǎo)體)等雜質(zhì)。
圖1：TEG本質(zhì)上就是一個(gè)具有冷(c)熱(h)兩個(gè)表面的珀?duì)柼姵?Peltier cell)。
(來(lái)源：Power Electronics News)
TEG模塊的基本功能區(qū)塊是幾個(gè)串聯(lián)的PN對(duì)，PN對(duì)在此配置中平行排列，以產(chǎn)生與溫度梯度成比例的電壓。要正常運(yùn)作，設(shè)備的熱(Th)側(cè)和冷(Tc)側(cè)必須處于不同的溫度。熱電材料的性能──由熱電優(yōu)值(thermoelectric figure of merit) ZT測(cè)得──通過(guò)以下公式計(jì)算：
公式中，S是塞貝克系數(shù)，ρ是電阻率，λ是熱導(dǎo)率，而T是測(cè)量熱電性能的溫度。ZT是在給定溫度梯度下可產(chǎn)生的電能的量：材料的ZT值越高，熱電性能越好。通過(guò)增加功率因數(shù)PF (PF=S2÷ρ)，或降低熱導(dǎo)率λ(λ=λe+λph)──λe和λph分別表示電子和聲子(phononic)的貢獻(xiàn)──都可以提高既定材料的熱電性能。
塞貝克系數(shù)、電阻率和熱導(dǎo)率是決定熱過(guò)程效率的三個(gè)因素。這三個(gè)既不同卻又相互依存的物理特性，共同構(gòu)建卓越性能。因此，很難或不可能在不損害另一個(gè)的情況下，改進(jìn)其中任何一個(gè)。唯一可以自由調(diào)節(jié)而不會(huì)對(duì)其他量產(chǎn)生影響的量是λph(T)；因此，縮小尺寸是提高整體效率最有效的策略。
材料
以電池為基礎(chǔ)的解決方案每天都在變得更有效率也更小，對(duì)于一些低功耗應(yīng)用，如物聯(lián)網(wǎng)傳感器，再進(jìn)一步提高電池壽命已不太可能。因此，這些設(shè)備將從能量收集技術(shù)中受益匪淺。對(duì)能量收集的興趣引發(fā)了互補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展，包括皮瓦等級(jí)超低功率微電子組件和超級(jí)冷凝器(supercondenser)。
一種優(yōu)異的熱電材料必須具有較強(qiáng)的塞貝克效應(yīng)，導(dǎo)電性能應(yīng)該盡可能地好，而導(dǎo)熱特性則應(yīng)該盡可能地差。但很難找到一種符合所有這些要求的材料，因?yàn)閷?dǎo)電性和導(dǎo)熱性通常是齊頭并進(jìn)的。
研究人員最近成功開(kāi)發(fā)了一種ZT值在5~6之間的新型材料，由鐵、釩、鎢和鋁的薄層組成，可應(yīng)用于硅晶體，可望為傳感器電源行業(yè)帶來(lái)革命性的變化，使傳感器能夠從環(huán)境中自行發(fā)電。根據(jù)可用的溫度梯度，TEG每平方厘米可產(chǎn)生20μW~10mW的功率。
設(shè)計(jì)技巧
目前市場(chǎng)上已有幾款適用熱能收集的集成電路，包括TI的BQ25570，能夠從TEG中提取微瓦到毫瓦級(jí)的功率，還有比利時(shí)e-peas的AEM10941，以及ADI和Renesas的其他IC。BQ25570整合了電源管理系統(tǒng)，通過(guò)使用雙電路來(lái)提高電壓，同時(shí)防止電池過(guò)充或爆炸。所收集的能量則可以儲(chǔ)存在可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級(jí)電容器或傳統(tǒng)電容器中。
超級(jí)電容器是能量收集被有效應(yīng)用的技術(shù)前提，它們是具有極高容量的電容器，同時(shí)具有電解電容器和可充電電池的功能特性。然而，它們每單位體積或質(zhì)量的能量?jī)?chǔ)存量，比電解電容器多10倍、甚至是100倍，電荷累積速度遠(yuǎn)高于充電電池的典型速度，充放電循環(huán)次數(shù)也比可充電電池更多。
當(dāng)TEG板之間存在足夠的溫差，從而在其端子上產(chǎn)生電壓時(shí)，熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換程序就會(huì)開(kāi)始。BQ25570包括一個(gè)升壓充電器和一個(gè)納米功率降壓轉(zhuǎn)換器(參考圖2)，可以提取功率，功率大小根據(jù)溫差而變化，從μW到mW級(jí)不等。由于內(nèi)置升壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓隨后被升壓到3.3V，效率可達(dá)93%。
圖2：BQ25570超低功率收集器PMIC電路圖。
(來(lái)源：TI)
有兩種方法可以儲(chǔ)存能量收集來(lái)的電力：使用電容器或電池來(lái)儲(chǔ)存電荷。當(dāng)使用傳統(tǒng)電容器或超級(jí)電容器時(shí)，有一些指南可幫助設(shè)計(jì)工程師做選擇：
選擇低ESR (<200mΩ)的電容。
1.2V時(shí)的泄漏電流必須小于1μA。
大型電容器充電較慢，但可以儲(chǔ)存大量電荷；另一方面，小型電容充電非?？?，增加了啟動(dòng)時(shí)間。
取決于應(yīng)用，電容值可通過(guò)以下公式求得：
C = 15×VOUT×IOUT×TON
其中，VOUT是能量收集傳感器的輸出電壓，IOUT是來(lái)自能量收集傳感器的平均輸出電流，TON是IC接通時(shí)間。如果傳感器無(wú)法提供足夠電力，儲(chǔ)存電容器能讓系統(tǒng)維持一定時(shí)間。
熱電能量收集器的功率調(diào)節(jié)也非常重要，即使以最大功率運(yùn)作，熱電產(chǎn)生器的輸出電壓也很小，因?yàn)樗碾妷汉艿汀．?dāng)能量收集器為電池充電時(shí)，電源調(diào)節(jié)電路會(huì)保護(hù)電池避免過(guò)充。同樣，當(dāng)溫度變化時(shí)，功率調(diào)節(jié)用于穩(wěn)定輸出電壓。
通過(guò)許多因素，包括輸入阻抗、功率控制和濾波，調(diào)節(jié)電路在能量收集系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵角色。換能器(無(wú)論是熱、太陽(yáng)光電還是振動(dòng)發(fā)電源)、電源調(diào)節(jié)電路、微控制器和儲(chǔ)存設(shè)備(超級(jí)電容器)都是不可或缺的組件。
(本文編譯自EDN姊妹網(wǎng)站EE Times美國(guó)版，參考鏈接：New Thermoelectric Material Has Huge IoT Potential)
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