能量收集從滿(mǎn)足電源管理需求開(kāi)始
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
2. WSN的占空比（即數(shù)據(jù)讀取和傳輸操作必須具備的頻率）
3. 輔助儲(chǔ)存器（電容器、超級(jí)電容器或電池）的大小和類(lèi)型
4. 是否可提供既能充當(dāng)主能量源、同時(shí)又擁有充分剩余能量（用于當(dāng)其在某些特定時(shí)段內(nèi)不可用時(shí)為輔助電能儲(chǔ)存器充電）的足夠環(huán)境能量?
最先進(jìn)和現(xiàn)成有售的能量收集技術(shù)（例如振動(dòng)能量收集和室內(nèi)光伏技術(shù)）在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這么低的功率似乎用起來(lái)很受限，但是若干年來(lái)收集組件的工作可以說(shuō)明，無(wú)論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術(shù)大體上與長(zhǎng)壽命的主電池類(lèi)似。此外，采用能量收集的系統(tǒng)一般能在電能耗盡后再充電，而這一點(diǎn)主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。
正如已經(jīng)討論的那樣，環(huán)境能源包括光、溫差、振動(dòng)波束、已發(fā)送的RF信號(hào)，或者其他任何能通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的能源。下面的表2說(shuō)明了從不同能源可產(chǎn)生多少能量。要成功設(shè)計(jì)一款完全獨(dú)立的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，需要現(xiàn)成的節(jié)電型微控制器和換能器，并要求這些器件消耗最小和來(lái)自低能量環(huán)境的電能。幸運(yùn)的是，低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年左右了，不過(guò)只是在最近，超低功率收發(fā)器才投入商用。然而，在這一系列環(huán)節(jié)中，處于落后的一直是能量收集器?，F(xiàn)有的能量收集器模塊實(shí)現(xiàn)方案（如圖1 所示）往往采用低性能和復(fù)雜的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括30個(gè)或更多的組件。此類(lèi)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流高。這兩個(gè)不足之處均導(dǎo)致最終系統(tǒng)的性能受損。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時(shí)間，反過(guò)來(lái)又延長(zhǎng)了從獲取一個(gè)傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。高靜態(tài)電流則對(duì)能量收集源的輸出能達(dá)到的最低值有所限制，因?yàn)樗仨毷紫忍峁┳约汗ぷ魉璧碾娏?，多出?lái)的功率才能提供給輸出。正是在能量收集器這個(gè)領(lǐng)域，凌力爾特公司最近推出的產(chǎn)品LTC3109、LTC3588-1和LTC3105使性能和簡(jiǎn)單性上提升到一個(gè)新水平。這些能量收集IC所帶來(lái)的新性能水平是采用分立式方案完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，它們由于能夠收集非常低的環(huán)境能量而成為了推動(dòng)能量收集系統(tǒng)制造商成長(zhǎng)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(fā)器經(jīng)濟(jì)合算的價(jià)位，使其市場(chǎng)接受度得以提升。這也是此類(lèi)系統(tǒng)在全球范圍的眾多應(yīng)用中受到大量關(guān)注的原因之一。
表2 ：能源以及它們可產(chǎn)生多少能量。
一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的例子：“飛機(jī)健康狀況監(jiān)視”
今天，大型機(jī)群的結(jié)構(gòu)性疲勞是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，因?yàn)槿绻鲆曉搯?wèn)題，就可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀況是通過(guò)多種檢查方法來(lái)監(jiān)視的，如通過(guò)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)化分析和跟蹤方法，通過(guò)采用評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性的創(chuàng)新理念，等等。這些方法有時(shí)又統(tǒng)稱(chēng)為“飛機(jī)健康狀況監(jiān)視”方法。在飛機(jī)健康狀況監(jiān)視過(guò)程中，采用了傳感器、人工智能和先進(jìn)的分析方法以實(shí)時(shí)進(jìn)行連續(xù)的健康狀況評(píng)估。
聲發(fā)射檢測(cè)是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的領(lǐng)先方法。這種方法可以方便地用來(lái)診斷合成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損壞。一個(gè)顯然的要求是，以簡(jiǎn)單的“通過(guò)”、“未通過(guò)”形式指示結(jié)構(gòu)完整性，或者立即采取維修行動(dòng)。這種檢測(cè)方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平檢測(cè)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(jié)構(gòu)體表面，通過(guò)三角定位能夠定位裝載了傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動(dòng)。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲(chǔ)和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。
因此，無(wú)線傳感器模塊常常嵌入到飛機(jī)的各種不同部分，例如機(jī)翼或機(jī)身，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，不過(guò)為這些傳感器供電可能很復(fù)雜。因此，如果以無(wú)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(jī)環(huán)境中，存在很多“免費(fèi)”能源，可用來(lái)給這類(lèi)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(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)情況下，其溫度可能在幾百℃到1,000℃甚至2,000℃的范圍內(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機(jī)械能（燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)是將熱量轉(zhuǎn)換成電功率的根本熱力學(xué)現(xiàn)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(fā)生器（TEG）使用更多熱量（Q），產(chǎn)生更多功率（P）。類(lèi)似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器自然產(chǎn)生兩倍的功率，因?yàn)樗鼈兛梢垣@取兩倍的熱量。較大的熱電發(fā)生器通過(guò)串聯(lián)更多的P-N 節(jié)形成，不過(guò)，盡管這樣可以在溫度變化時(shí)產(chǎn)生更大的電壓（mV/dT），但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)電阻的增大限制了可提供給負(fù)載的功率。因此，視應(yīng)用需求的不同而有所不同，有時(shí)使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器而不是使用較大的熱電發(fā)生器會(huì)更好。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用熱電發(fā)生器產(chǎn)品。
通過(guò)給一個(gè)組件施加壓力，可以產(chǎn)生壓電，而壓電反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生一個(gè)電位。壓電效應(yīng)是可逆的，展現(xiàn)正壓電效應(yīng)（當(dāng)加上壓力時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電位）的材料也展現(xiàn)反壓電效應(yīng)（當(dāng)加上一個(gè)電場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生壓力和/ 或應(yīng)力）。
為了優(yōu)化壓電換能器，需要確定壓電源的振動(dòng)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(shè)計(jì)一款壓電元件，以機(jī)械的方式將其調(diào)諧至特定的振動(dòng)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(dòng)將觸發(fā)正壓電效應(yīng)，從而導(dǎo)致電荷積聚在器件的輸出電容上。積累的電荷通常相當(dāng)少，因此AC開(kāi)路電壓很高，在很多情況下處于200V 量級(jí)。既然每次撓曲產(chǎn)生的電荷量相對(duì)較少，那么有必要對(duì)這個(gè)AC信號(hào)進(jìn)行全波整流，并在一個(gè)輸入電容器上逐周期積累電荷。
就能源選擇而言，在熱源和壓電源之間存在權(quán)衡問(wèn)題。不過(guò)，不管選擇哪一種方法，這兩種方法都是可行和現(xiàn)實(shí)的解決方案，可以非常方便地與現(xiàn)有技術(shù)一起使用。下表總結(jié)了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：
注1：在飛機(jī)中獲得溫度差的最佳途徑是，獲取飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)“皮”溫度與機(jī)艙內(nèi)部溫度之差。
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