能量收集，没有我们想象的那么新鲜
电子工程世界
2020-03-31 15:40:20
翻译自——EEtimes，Bill Schweber
能量收集是种极具吸引力的能源方案，因为它为人们描绘了一个美好的蓝图，即取之不尽的“免费能源”。这在某些应用中已经实现……
收集能量来捕获、保存和使用电能——我喜欢把它看作是一种“净化”（scavenging），它是一个热门话题。由传感器、能量捕获电路、电源管理集成电路、储能元件(电池或超级电容器)和无线链路的组合，所有这些都以极低的功率运行，这意味着它是实现自供电、长寿命数据采集、监测、记录和报告系统的有效方法。
它除了在许多方面的实用性，但不是在所有应用里，能源收集也有“不劳而获”的有趣应用，即使这种考虑看起来比较夸张。现实情况是，创建一个可行的收获解决方案需要大量的精心规划、工作和组件。
我们可以把它看作是一个新的发展，而今天的精密设计也确实如此。但这其中基本的收获理念并不新鲜。
当我们不得不更换我们的标准燃气热水器时，我清楚地意识到了这一点。当然，这涉及到让一个水管工按照法规、各种规定和安全的要求来做煤气管件和水管;在这种情况下，零失误是完全不可能的。我本想叫个电工来帮我接通电源，但当我检查热水器时，我意识到它根本没有外部电源——没有交流线路，也没有像老式门铃那样通过变压器连接的低压线路。相反，它有一个电动电磁阀，控制气体流量，基于开关关闭。但是电磁阀的电源是什么，因为没有电源连接到加热器上?
答案很简单:虽然我们通常认为热电偶是温度传感传感器，但它也一直被用作能量收集传感器和电源。在热水器中，热电偶定位在其始终处于开启状态的指示灯中，其产生的少量功率足以满足阀门的需要。
底部热电偶组件的输出可以打开和关闭燃气流量阀
这也是一种防故障方法:如果指示灯熄灭或热电偶失效，螺线管就无法通电，阀门就会关闭，因此就不会有气体流动。类似的能量生产技术被用于为许多航天器生产几百瓦的能量上，尽管效率很低，但它利用了周围热电偶阵列捕捉到的钚放射性衰变的热量。当然，这是一个比热电偶和热水器更新、更复杂的装置，但其基本概念是相同的:使用热电偶作为传感器，而不是作为温度测量传感器。在一个更普通的层面上，你可以买到带有内置热电偶阵列的野营炉具，这些热电偶阵列可以产生足够的能量来运行一个小的气流产生风扇或者USB充电口。
另一个能量收集设计，是电力工程师已经使用了大约100年的方法，传说中的水晶无线电。它由天线、调谐线圈、二极管、电容器和耳机组成，这种收音机无需电池就可以捕获和解调AM广播。接收到的信号本身就提供了驱动耳机的能量，而耳机必须是高阻抗的敏感元件。一个水晶收音机对于任何一个有动手能力的年轻人来说都是一个很好的项目。是的，AM广播已经过时了，FM广播也落伍了，但这不是重点。在大众广播电台的早期，尽管水晶收音机有其局限性，但它是一项了不起的创新。
你知道还有其他的收获应用程序吗?它们不需要高级的集成电路，甚至可能比我们的集成电路时代还要早。
自供电晶体收音机利用解调接收信号的功率(通过“包络检波器”完成)来驱动高阻抗耳机。
除此之外，还有一些其他的应用也实现了这一方法。比如以振动供电的桥梁监控器就已成功投入使用。但在其他一些应用中，其成本收益率并不理想，因为成本不为零，效益也不够好。一个例子是安装了嵌入式元件将“走路的能量”转化为电能的鞋子；还有一些配备了再生制动的自行车，其重量、体积和成本都相应增加，但能够回收的能量却很少。
然而，有一种应用，能量收集可能真正成为一个亮点：为植入式医疗设备供电。一些高级研究人员正在研究如何为人体内的设备供电，如心脏起搏器或其他设备。目前大多数起搏器采用的原电池有5到10年使用寿命，不可以充电，之后需要通过手术更换电池。（请注意，非接触式无线充电蓄电池似乎是首选的可行方案，但它还存在一些重大的医疗与技术问题，因而尚未广泛使用。）
达特茅斯学院塞耶工程学院的一个研究小组与德克萨斯大学圣安东尼奥健康科学中心合作，开发出了一种新的方法，可以为这些医疗设备构建压电能量收集换能器。它采用了能量转换薄膜材料和微创起搏器机械设计，将连接到跳动心脏的引线的动能转换为电能，为电池持续充电。
其发电材料是一种称为聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）的聚合物压电薄膜。该团队设计了一种基本的双悬臂结构，对起搏器引线进行包裹，在初始测试中使用机械振动器来模拟心肌运动以及所引起的起搏器引线变形。其最大输出为0.5V、43nA、1Hz，功率略高于20nW。如果在双悬臂尖端增加一个31.6mg的小“质量块”，则功率输出可以增加80％以上。增加的质量使弯曲曲率更大，从而使能量收集器输出的电能更高。而且还可以将多个能量收集器并联，以获取更大的输出电流。研究人员指出，当今的超低功耗可植入生物医学设备当中，心脏活动检测需要使用大约0.3μW功率，心脏起搏器需使用10到100μW，人工耳蜗需要100到2000μW，神经记录需要1到10mW。
实验装置示意图，基于一个普通成年人心血管系统的解剖价值。B)基于摇床的测试平台模拟心肌的运动。
能量收集也许并不像人们所想的那样是低成本或无成本的能量来源，但在某些情况下，根据应用的不同优先级和限制，它可能是正确的解决方案。植入式设备的供电可能就是这些应用中的一个，它能带来实实在在的好处，面临各种挑战或困难便不值一提了。
你知道还有其他的收获应用程序吗?它们不需要高级的集成电路，甚至可能比我们的集成电路时代还要早。