何谓能量收集 (EH)？

废弃物与机会

「一个人认为没有用的垃圾，可能对另一个人来说是个宝藏。」电子行业花费大量的工程周期、费用甚至能源来处理「余热」，特别是在数据中心等一些应用，需要大量空间和电力来解决热缓解。本文观点是将此类热源（以及其他能源）视为能量捕获或回收的机会。针对废弃物的讨论总是围绕在如何才能摆脱它，但如果从潜在能源的角度出发，处理废弃物的可能性和方法发生了彻底变化。无论是在美国还是全球，大约三分之二的原始能源属于「余热」，这实际上代表了一个巨大机会，我们将在本文中深入探讨。

图1-突显「余热」的美国整体能源消耗

源与负载

在之前关于物联网 (IoT) 和工业物联网 (IIoT) 的文章中，我们讨论了在可用能量（例如系统电源）和负载（例如系统功率预算）之间找到适当平衡的重要性，并且重点放在如何减少负载，而不是简单地寻找更大来源。

让我们来快速复习，若能源为分母，系统功率预算为分子，系统生存能力则是这两者的拐点，减少分子的速度比增加分母的速度要快得多。换句话说，当比率 < 1 时，能量收集变得更有能力，而电子设备变得不那么耗电。

图 2-可用功率和系统功率预算的关系

图 3-能量收集中电源与负载的关系

这里的关键点是从技术和经济角度来看，若要让系统，应用可行的话，需仰赖设计人员降低系统功耗和智能电源管理 (IPM) 技术的能力，而不是寻找更大、更密集的电池或更高效的电源转换器。

电池容量大约每十年才会翻上一倍，而集成电路 (IC) 甚至微机电系统 (MEMS) 传感器等设备在提升功能的同时几乎可以每隔一年就将功耗减半，这就证明钻研电源管理比仰赖电池进步更为理想。

何谓能量收集？

能量收集 (EH) 是从我们周围的环境中捕获和转换自由的环境能量。因此，它也被称为「能量清除」。我们可以收集物理提供给我们的每一种能量，包括：

· 太阳能（热能、光伏或PV）；

· 动力学（电动、振动）；

· 热电、压电（机械感应）；

· 射频或射频（近场、远场）；

· 摩擦电（静电）。

任何换能器实际上都是潜在的 EH 源，但本文将重点介绍 EH 应用解决方案。

EH 模态往往根据其原生输出分为 ac 或 dc 的类别。最常见的 dc 类 EH 设备是 PV 和热电设备。最常见的 ac 类 EH 设备是压电、RF 和其他机械动态源，例如振动、涡轮和磁驱动电动换能器。这些能源都有自身的细微差异和挑战，因此要注意电源管理集成电路 (PMIC) 并非万能解药适用所有的 EH 源。

在过去的几十年中，EH 在技术以及实际应用方面有很大的进步。大约在十年前，尤其是在 IoT/IIoT 出现之前，人们对 EH 技术有一些常见的误解。第一个误解是 EH 对任何有用的应用产生的电源都可忽略不计。我们将暂时深入讨论这个问题，因为它与之前的源与负载的讨论非常接近。

另一个误解是 EH 只是一个学术实验，缺乏生产供应链和能够支持大量开发的生态系统。很多 Power IoT 生态系统的组成部分（本讨论稍后会详述）早已存在多年甚至已有几十年，而且在它们出现之前就来自于工业（从新设立的初创公司到最大的半导体公司），直到现在才被广为人知或利用在生态系统之中。

一个成功的 EH 系统会需要 EH 换能器在能量存储（电池管理系统 [BMS]）、电源管理集成电路 (PMIC) 和最佳负载（微控制器、内存、无线电、传感器、显示器等）提供许多技术支持。

可以说这些组件最基本的部分是 PMIC，因为它的本质就如 EH 系统的「大脑」，通过控制 EH 电源提取和电源管理，然后甚至将 BMS 集成一个简单的控制 IC（尺寸几乎都在10 x 10 mm以下）。

德州仪器 (Texas Instruments) 和凌力尔特 (Linear Technologies)（现为亚德诺半导体 Analog Devices）等公司已将 EH PMIC 解决方案投放市场已有大约二十年，但当时还不到 IoT 能快速发展的时候。典型的 PMIC 流程图如下图 4 所示。您现在甚至可以找到现成的 IoT 模块。

图 4-EH PMIC 功能流程图

对 EH 的最大误解是成本，这也是阻碍大众采用 EH 的关键因素。成本评估可能没有那么简单，因为任何类型的成本收益或总拥有成本 (TCO) 分析都高度依赖系统、应用和运作环境。

这样的复杂性而且是针对特定应用的分析是 EH 技术在许多案例中被认为在经济上不可行的主要因素。

一个常见的陷阱是只进行一阶分析来比较采用 EH 技术之前和之后的物料清单 (BOM) 成本。

乍看之下，替换纽扣电池的成本大约< 1 美元（大量），而 EH 成本要几美元。即使已将可持续性、更高的可靠性和自供电部署的好处纳入考虑，选择EH 解决方案似乎仍不太合理。但是我们必须考虑二阶（及更高阶的）成本影响才能进行适当的分析。

虽然详细讨论此类分析会超出本文的讨论范围，但一个简单的衡量标准是更换成本和维护成本。如果需要更换便宜的纽扣电池就需要人力，例如，上门服务或需要特殊设备才能抵达处在恶劣环境的地点，这意味着 BOM 所节省下来的成本优势将不复存在。

什么不是EH？

如今，无线功率传输(WPT)在使用低功率、不受束缚的应用中很常见，无线充电智能手机、手表或牙刷。不幸的是WPT也通常与EH相关，或者在最坏的情况下被误以为是EH而通常都不是。WPT很少捕获环境中的远场射频能量来供给其他能源应用。

事实上绝大部分的WPT只是来自定向源的电力换流(通常是离线或墙面上的电源），这其中的「线」恰好是无线链接。因此，与其说是射频「收集」，不如说它是一种非常低效的墙壁电力传输。

也就是说，WPT在Power IoT生态系统中有一席之地，并且可以和许多EH应用案例高度互补，但我们仍应该对其意思和含义有正确的理解。

例如，WPT能在无法获得可用能源的地方大放异彩。例如嵌入结构的、恶劣环境中的(甚至人体内的)无线传感器网络(WSN)。WPT和EH都有一个非常重要的目标，就是减少一次电池(不可充电)的使用。

EH的目标

利用EH和相关技术可以达成许多目标和优势。从短期的角度来看，由于IoT/IIoT设备的指数增长，因此EH的重要目标是减少和缓解一次电池使用数量的爆炸性增长。

如果在未来十年内实现部署数千亿台设备(也可能是万亿)，我们将面临每天要处理大约一亿个电池，并将所有的有害废弃物掩埋在垃圾场里的情况。

我们将这些系统改用二次电池(可充电)，就可提高其可持续性(或使用其他能量存储，例如超级电容器)。从长远来看，EH技术勾勒出一个乌托邦世界；即使不是大多数设备，至少有许多设备是完全由免费的环境能源供电。

可靠性是EH带来的另一个非常重要的好处。这似乎有悖常理，因为许多人会认为潜在的间歇性能源的概念是与系统可靠性和正常运行时间有所冲突的。

虽然许多EH能源确实可能是间歇性的且不可预测的(即光、风、运动等)，但许多能源可靠性问题通过充分了解运作环境是可以解决的，之后的系统设计可以采用适当的EH类型和数量(通常也有能量存储)以及IPM以确保成功概率在接受范围之内。

采用混合式EH也可以帮助解决这个问题，下面将进行探讨。软件(SW)是另一个可以产生重大影响的领域，因为经典的WSN和计算系统在设计时并没有考虑到间歇性能源。但如果SW被设计成有能量意识，知道要关机时存储关键数据然后在超过开启阈值时从中断处恢复，那么应用EH电源会非常有益处且有效。

可靠性分析的另一面是，使用EH电源和可充电/可再生能源存储的系统可以是一个永久的自供电系统，它消除了一些由于质量和可靠性问题而导致系统故障的最常见组件。

尽可能消除机械和可移动组件(如连接器、电池座、开关、电线等)是朝着正确方向迈出的一大步。降低整体系统功率以减轻热应力也有助于提高可靠性。

当然，储能组件会随着时间流逝而失去容量，例如二次电池，但这可以通过固态解决方案得到改善，而且在使用电容储能时它会变成一个可以忽略不计的问题。

这些都是很好的目标，但归根结底成本才是真正将产品推向市场的主因，而EH技术似乎与成本相冲突。如上所述，EH技术的投资回收期存在差距，因为TCO没有跨出一阶分析，也就是BOM成本的比较。以下段落「补充电源」我们将深入讨论EH如何帮助节约成本扩展到CAPEX/OPEX层面而不局限于直接的系统成本指标。

常见的EH形式

EH的世界涵盖了纳瓦到千兆瓦的全功率谱。本文主要关注在光谱的低端因为它的讨论主要围绕在各种的WSN/IoT/IIoT应用。然而，我们不能忘记引领永续发展和应对气候变迁的光伏电池板和风力发电机，它们生产可观的且不断增加的全球能源。

这表示EH解决方案有相当多种类型。光伏电池和风力发电可产生兆瓦的能源，也有大约您手掌大小的光伏电池来针对室内光源进行优化，以及可以安装在自行车轮上甚至是微机电级别的电动力学发电机。

更多关于EH模态、操作原理和现有的解决方案概论是后续才会深入探讨的主题，而EH换能器、支持组件(如储能)和低功率应用的范例如下图 5所示。

图 5-各种EH换能器和原位应用

a)室内光伏供电的WSN，由廷德尔国家研究所 (Tyndall National Institute) 提供；b)热电发电机 (TEG) 的剖视图；c)适合低频应用的振动能量收集器；d)便携式充电的柔性光伏阵列，由PowerFilm提供；e)1.5 mm3完整的EH供电WSN，由密歇根大学(University of Michigan)提供；f) 硅基超级电容剖面图，由廷德尔国家研究所提供；g)流体驱动(流体动力）的淋浴温度指示器，由伍仕电子(Würth Elektronik)提供；h)全集成IoT电源模块；i) EH PMIC 嵌入光伏供电的高端手表，由e-peas提供。

下图是一个很好的图解比较，方便找出EH与常见负载搭配。请注意，这既不涵盖所有的EH范围也不涵盖所有的应用领域，但它可以提供一些非常常见的应用以及搭配EH模态的最佳范围。

更重要的是它为EH提供更真实的搭配，因为它标示了支持所述应用所需的EH量。例如，仅指出PV适合哪个应用是不够的，而是要说明PV面板的大约尺寸和光源辐照度(即室内，室外和照度等)。

同样的原理也适用于热电发电机(TEG)，它不仅取决于TEG的大小，还取决于温差。

图 6–常见应用与常见EH源&功率比较

混合EH以及更多特殊形式

利用EH技术并最大化应用空间覆盖率的好方法是同时利用多个来源。这可以通过在某个特定时间利用在同一环境中的不同EH源来将可用的能量最大化。

很多EH PMIC是为了能够接收至少两种不同的EH输入而设计的，支持多种形式的能量存储(即一次电池和二次电池)。例如，光照环境中安装在电机上的WSN可以利用振动和PV输入来收集能量。

另一个需要多源设计的原因是为了减轻在不断变化环境中的能量间歇性，特别是不受束缚的应用。例如，佩戴在身上的设备可能同时包含PV和TEG，这样它就可以在户外时从阳光中收集能量(它也可以透过TEG收集，但多寡取决于室外温差)，然后在室内时进一步从环境温度与体温之间的温差提取能量。

EH也存在混合形式。这与上一段描述的同时使用多源是不一样的。有些EH模态是一个换能器使用多种收集原理，其中一个例子是射频收集太阳的热能(例如红外射频能量)，而这类型的EH解决方案并不常见。

前沿研究有望提供不同的EH形式来解决当今挑战，无论是在能量密度、成本还是外形尺寸上。提醒一下，由于系统功率预算减少，EH的价值主张会随着时间增加得越快，而不是EH换能器和功率提取/存储电路组合能提供的可用能源增加。

这意味着虽然现在还不能很有效地应用EH源，但之后的应用范围会更广，即使换能器的可用功率密度没有改变。

摩擦纳米发电机(TENG)就是一个很好的例子，因为它很难从摩擦静电源(~10s到100s μWs)提取很多电，但是可以快速提取足够的能量来为电容器充电并供给LED。如今，如果您可以为LED供电，您就可以为带有传感器、微控制器和无线电的WSN供电。

大部份的新兴焦点都放在PV(或密切相关的)EH源。完全商业化的最新(第三代)光伏设备是有机光伏，它的电池被调整在特定波长(即使在室外或室内都可以使用，但通常会针对特定环境进行优化)，并在成本、效率、和灵活性之间取得平衡。这些价值希望在下一代光伏电池中得到提升，因为它们使用的钙钛矿尚未商业化。

辅助电源

在考虑EH的时候请记住这不是一个全有或全无的命题，这一点非常重要。设计人员可能会很快放弃使用EH技术，因为他们无法看到现有电源(通常是一次电池)和EH解决方案之间的1:1关系。然而在辅助和备用应用方面可能会有很高的价值。当然，正如本次讨论中多次强调的那样，价值评估是非常针对应用和操作环境的。例如，如果在需要充电或更换电池之前使用EH将电池寿命延长20-30%，差别可能就是一整天下来不需要充电，或者让移动系统在空中多停留几分钟或额外行驶10-20英里(无人机或电动汽车)。另外，EH可以让您的设备向云端发送更频繁或更大量的数据。备用应用的功率要求往往比其完全激活的系统功率配置低得多，EH可用来提供微小能量给备用电路，等待被外部信号唤醒。如果系统的主电源也为此目的提供备用电源轨，那么它会因为尺寸、重量和功率(也称为SWaP)因素而变得昂贵，因此如果这些电源是分离式的，EH备用电路的额外成本可能会通过节省主电源来抵消(甚至获得正投资回报率)。大型系统有小型备用电源的例子包括支持网络唤醒(WoL)的计算机服务或支持唤醒无线电(WuR)的IoT控制设备。

在WPT应用中，无线链路的功率传输的换流效率往往非常差，正如弗里斯传输方程所证明的那样，功率损耗随着发射器和接收器之间的距离以及传输频率的增加而呈指数增长。因此，接收器使用辅助电源以降低接收无线电的灵敏度不仅可以在接收端节省，在发送端的节省还是成倍的。

与许多EH应用一样，现在应该更清楚明了这种辅助方法是如何在CAPEX和OPEX上扩大节省。而不太明显的是在微功率层面上的节省是如何转化成节约千瓦甚至兆瓦的能源。

为了将这一价值可视化，必须考虑从发电到最终负载的整个路径功率。例如，降低几瓦大型服务器数据中心的负载功率可能看起来不多，但当您考虑到所有的开销(冷却要用的电源、低效的备用电源)、电源转换的层面(每层都有余量会快速叠加)、冗余的层面(电源和系统负载皆有)、关键备份的能量存储等，那么这几瓦就可以大量节省OPEX(电力成本)和CAPEX(减少整体基础设施支出因为已调整至较低、最大或稳态功耗)。

实现更环保的未来&电力IoT生态系统

我们讨论了EH相关的多项好处、价值主张、应用注意事项和误解。我们还简要概述了 EH设备和构成Power IoT生态系统的支持设备和系统。在理想的情况下，EH要实现可永续的未来所需的能力在某些方面上是显而易见的，例如消除一次电池和减少总体能源消耗(同时降低水和碳足迹)。在未来的讨论中，我们将研究EH不太明显的二阶甚至三阶的影响，例如推动改进系统和设备的隐含能源的能力，并专注在「从摇篮到坟墓」完整的综合能源影响，从原材料采购到制造再到现场使用、报废和回收。Power IoT生态系统不断发展，成为一群越来越有组织的利益相关者，他们专注在如何合作将EH技术、实际应用和教育带进主流市场。电源制造商协会(PSMA)能量收集委员会(EHC)是定义、组织和延续这个生态系统的重要团体。PSMA EHC于2021年发布了一份免费、开放取用的白皮书，以永续发展的IoT 为重点提供对EH的全面性概述。

使用EH进行设计

此主题有大量的现有资源可供进一步阅读。虽然使用EH系统需要所有组件(连接换能器、规划PMIC电路、使用能量存储等)可能会令人望而生畏，但是有非常多种解决方法来协助整合这些功能，同时还有文件、培训和非常专业的团队提供支持。无论您是嵌入式设计人员，试图优化原始传感器数据捕获以进行大数据分析，还是仅将EH(通常是电源)视为一种为了达到目的手段并只想专注在最终应用或系统上，都有很多开箱即用的设计套件和商用现货(COTS)模块以促进EH技术的整合，即使是缺乏足够知识和经验的技术人员也能从头开始。EH IoT模块是为此应用空间预制的组件，通常结合PMIC、BMS、无线电，甚至是传感器。这可以让设计人员快速连接适当的EH换能器，选择能量存储源并为系统负载提供稳压电源轨。如果您想更深入试验各种EH模态、PMIC、储能解决方案，甚至不同的无线电、显示器、传感器，那么还有更全面的设计套件，在开发环境中为许多这些系统设计方面整合了多种选择，为所有人提供可切换的选项，而且几乎不需要了解所涉及的电路所以您可以专注在应用开发。

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