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)越高的器件，將為充分利用熱能收集的新解決方案鋪平道路。

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)物理定律，系統(tǒng)的能量總是守恒的，只是能量有可能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。于是，從各種環(huán)境能源中獲取能量是可能的。

在人們生活周圍的環(huán)境中，充滿了溫度和熱量的變化。發(fā)動(dòng)機(jī)廢料產(chǎn)生的熱量、土壤產(chǎn)生的地?zé)?、鋼鐵廠冷卻水產(chǎn)生的熱量以及其他工業(yè)活動(dòng)都是典型的例子。利用熱電產(chǎn)生器(TEG)和其他一些電子設(shè)備，就可以把熱能轉(zhuǎn)化為電能，然后還可以將其保存在存儲(chǔ)設(shè)備中。TEG的基本原理是熱流(由溫差引起)可以轉(zhuǎn)換為電能。它非常適合體積通常非常小、并且沒有運(yùn)動(dòng)部件的固態(tài)低功耗嵌入式設(shè)備。

塞貝克效應(yīng)

塞貝克效應(yīng)是當(dāng)材料兩側(cè)之間存在溫度梯度時(shí)產(chǎn)生電壓的過程。TEG的基本元件是p-n結(jié)，它由熱電材料p和n的單個(gè)結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)結(jié)構(gòu)電氣串聯(lián)連接，并摻雜有硼(p)和磷(n)等雜質(zhì)。

TEG模塊的基本建構(gòu)塊是幾個(gè)串聯(lián)的p-n對(duì)。p-n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。要正常工作，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ZT測(cè)得)由公式(1)給出：

ZT=S²T/σλ????????????????(1)

式中，S是塞貝克系數(shù)，ρ是電阻率，λ是導(dǎo)熱系數(shù)，而T是測(cè)量熱電性能的溫度。ZT測(cè)量在給定溫度梯度下可以產(chǎn)生的電能量：材料的ZT值越高，其熱電性能越好。通過增加功率因數(shù)PF(PF=S²÷ρ)，或降低熱導(dǎo)率λ(λ=λ_e+λ_ph，λ_e和λ_ph分別表示電子和聲子貢獻(xiàn))，都可以提高給定材料的熱電性能。

塞貝克系數(shù)、電阻率和熱導(dǎo)系數(shù)是決定熱過程效率的三個(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λ_ph(T)。因此，縮小尺寸是提高整體效率的最有效的策略。

材料

基于電池的解決方案每天都在變得更小且更加有效。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，包括超低功率(皮瓦級(jí))微電子和超冷凝。

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。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發(fā)了一種ZT值在5到6之間的新型材料。這種新材料由一層薄薄的鐵、釩、鎢和鋁組成，應(yīng)用于硅晶體，從而傳感器電源行業(yè)可能會(huì)徹底改變，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每平方厘米可以產(chǎn)生20μW到10mW的功率。

設(shè)計(jì)技巧

目前市場(chǎng)上已有幾款適用于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e-peas的AEM10941，以及ADI和瑞薩的其他集成電路。BQ25570集成有電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用雙電路來(lái)提高電壓，同時(shí)防止電池過充或爆炸。收集的能量可以存儲(chǔ)到可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級(jí)電容器或傳統(tǒng)電容器中。

超級(jí)電容器是有效應(yīng)用能量收集的技術(shù)前提。它們是具有極高容量的電容器，同時(shí)具有電解電容器和充電電池的功能特性。然而，它們每單位體積或質(zhì)量存儲(chǔ)的能量比電解電容器多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，并且充放電循環(huán)次數(shù)比充電電池更多。

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)，該過程開始。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(圖2)，它可以提取功率，功率大小根據(jù)溫差而變化，從微瓦到毫瓦級(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)到93%。

能量收集時(shí)，有兩種方法可存儲(chǔ)輸入的能量：即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)師進(jìn)行選擇：

選擇ESR低(<200mΩ)的電容器

1.2V時(shí)的泄漏電流必須小于1μA

大型電容器充電較慢，但可以存儲(chǔ)大量電荷。另一方面，小型電容器充電非?？欤黾恿藛?dòng)時(shí)間。

根據(jù)應(yīng)用情況，電容器值可通過公式(2)求得：

C=15×V_OUT×I_OUT×T_ON???????????????????(2)

其中，V_OUT是能量收集傳感器的輸出電壓，I_OUT是來(lái)自能量收集傳感器的平均輸出電流，T_ON是IC接通時(shí)間。

如果傳感器無(wú)法提供足夠的功率，存儲(chǔ)電容器將使系統(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。即使在最大功率運(yùn)行時(shí)，熱電產(chǎn)生器的輸出電壓也很小，因?yàn)樗碾妷汉艿?。?dāng)能量采集器給電池充電時(shí)，電源調(diào)節(jié)電路會(huì)保護(hù)電池不會(huì)過充電。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)中起著至關(guān)重要的作用。傳感器(無(wú)論是熱源、光伏源還是振動(dòng)源)、電源調(diào)節(jié)電路、微控制器和存儲(chǔ)設(shè)備(超級(jí)電容器)都是最關(guān)鍵的部件。