能量收集應用無處不在

　　當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態的時間。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會遇到低的、可變的和不可預測的可用功率，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結構。收集器由于其無限的能量供應和功率不足而成為系統能源。輔助電能儲存器 (一個電池或一個電容器) 可產生較高的功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集功率的環境能量時，必須采用輔助電能儲存器給 WSN 供電。當然，從系統設計人員的角度而言這將導致復雜程度的進一步增加，因為他們現在必須考慮這樣一個問題“為了對缺乏環境能量源的情況下提供補償，應在輔助儲存器中存儲多少能量?”究竟需要儲存多少能量將取決于諸多因素，包括：

　　1. 缺乏環境能量源的時間長度
　　2. WSN 的占空比 (即數據讀取和傳輸操作必須具備的頻率)
　　3. 輔助儲存器 (電容器、超級電容器或電池) 的大小和類型
　　4. 是否可提供既能充當主能量源、同時又擁有充分剩余能量 (用于當其在某些特定時段內不可用時為輔助電能儲存器充電) 的足夠環境能量?

　　最先進和現成有售的能量收集技術 (例如振動能量收集和室內光伏技術) 在典型工作條件下產生毫瓦量級的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的工作可以說明，無論就能量供應還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術大體上與長壽命的主電池類似。此外，采用能量收集的系統一般能在電能耗盡后再充電，而這一點主電池供電的系統是做不到的。

　　正如已經討論的那樣，環境能源包括光、溫差、振動波束、已發送的 RF 信號，或者其他任何能通過換能器產生電荷的能源。下面的表 2 說明了從不同能源可產生多少能量。

　　表 2：能源以及它們可產生多少能量 

　　要成功設計一款完全獨立的無線傳感器系統，需要現成的節電型微控制器和換能器，并要求這些器件消耗最小和來自低能量環境的電能。幸運的是，低成本和低功率傳感器及微控制器已經上市兩三年左右了，不過只是在最近，超低功率收發器才投入商用。然而，在這一系列環節中，處于落后的一直是能量收集器。現有的能量收集器模塊實現方案 (如圖 1 所示) 往往采用低性能和復雜的分立型結構，通常包括 30 個或更多的組件。此類設計轉換效率低，靜態電流高。這兩個不足之處均導致最終系統的性能受損。低轉換效率將增加系統上電所需的時間，反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數至傳輸該數據的時間間隔。高靜態電流則對能量收集源的輸出能達到的最低值有所限制，因為它必須首先提供自己工作所需的電流，多出來的功率才能提供給輸出。正是在能量收集器這個領域，凌力爾特公司最近推出的產品 LTC3109、LTC3588-1 和 LTC3105 使性能和簡單性上提升到一個新水平。這些能量收集 IC 所帶來的新性能水平是采用分立式方案完全無法實現的。因此，它們由于能夠收集非常低的環境能量而成為了推動能量收集系統制造商成長的“催化劑”。憑借這種性能水平，再加上換能器、微控制器、傳感器和收發器經濟合算的價位，使其市場接受度得以提升。這也是此類系統在全球范圍的眾多應用中受到大量關注的原因之一。

　　一個現實世界的例子：“飛機健康狀況監視”

　　今天，大型機群的結構性疲勞是一個現實問題，因為如果忽視該問題，就可能導致災難性后果。目前，飛機結構狀況是通過多種檢查方法來監視的，如通過改進的結構化分析和跟蹤方法，通過采用評估結構完整性的創新理念 … 等等。這些方法有時又統稱為“飛機健康狀況監視”方法。在飛機健康狀況監視過程中，采用了傳感器、人工智能和先進的分析方法以實時進行連續的健康狀況評估。

　　聲發射檢測是定位和監視金屬結構中產生裂縫的領先方法。這種方法可以方便地用來診斷合成型飛機結構的損壞。一個顯然的要求是，以簡單的“通過”、“未通過”形式指示結構完整性，或者立即采取維修行動。這種檢測方法使用由壓電芯片構成的扁平檢測傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結構體表面，通過三角定位能夠定位裝載了傳感器的結構體的聲活動。然后用儀器捕捉傳感器數據，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數表示這些數據。

　　因此，無線傳感器模塊常常嵌入到飛機的各種不同部分，例如機翼或機身，以進行結構分析，不過為這些傳感器供電可能很復雜。因此，如果以無線方式供電或者甚至自助供電，那么這些傳感器模塊就可以更方便地使用，效率也更高。在飛機環境中，存在很多“免費”能源，可用來給這類傳感器供電。兩種顯然和可以方便地利用的方法是熱能收集和/或壓電能收集。

　　在典型的飛機發動機情況下，其溫度可能在幾百 ºC 到 1,000ºC 甚至 2,000ºC的范圍內變化。盡管這種能量大多數都以機械能 (燃燒和發動機推力) 的形式損失了，但是仍然有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應是將熱量轉換成電功率的根本熱力學現象，那么要考慮的主要方程是：

　　P = ηQ

　　其中 P 是電功率，Q 是熱量，η 是效率。

　　較大的熱電發生器 (TEG) 使用更多熱量 (Q)，產生更多功率 (P)。類似地，使用數量為兩倍的功率轉換器自然產生兩倍的功率，因為它們可以獲取兩倍的熱量。較大的熱電發生器通過串聯更多的 P-N 節形成，不過，盡管這樣可以在溫度變化時產生更大的電壓 (mV/dT)，但是也增大了熱電發生器的串聯電阻。這種串聯電阻的增大限制了可提供給負載的功率。因此，視應用需求的不同而有所不同，有時使用較小的并聯熱電發生器而不是使用較大的熱電發生器會更好。不管選擇哪一種熱電發生器，都有很多廠商提供商用熱電發生器產品。

　　通過給一個組件施加壓力，可以產生壓電，而壓電反過來又產生一個電位。壓電效應是可逆的，展現正壓電效應 (當加上壓力時，產生一個電位) 的材料也展現反壓電效應 (當加上一個電場時，產生壓力和/或應力)。

　　為了優化壓電換能器，需要確定壓電源的振動頻率和位移特性。一旦確定了這些電平，壓電元件制造商就能夠設計一款壓電元件，以機械的方式將其調諧至特定的振動頻率，并確定其尺寸以提供所需的功率量。壓電材料中的振動將觸發正壓電效應，從而導致電荷積聚在器件的輸出電容上。積累的電荷通常相當少，因此 AC 開路電壓很高，在很多情況下處于 200V 量級。既然每次撓曲產生的電荷量相對較少，那么有必要對這個 AC 信號進行全波整流，并在一個輸入電容器上逐周期積累電荷。