能量收集的背景

在如今這個非常注重環保的時代，似乎一切都在走向環保。能量收集這個概念出現已有10多年時間；但是，在真實環境中實施基于環境的能源輸送系統一直以來都很麻煩、復雜且成本高昂。但是，也有很多市場成功采用了能量收集方法，包括交通運輸基礎設施、無線醫療設備、胎壓檢測和樓宇自動化。具體來說，在樓宇自動化系統中，諸如感應傳感器、恒溫器，甚至電燈開關等都不再使用通常與安裝相關的電源或控制電纜，而是改用本地能量收集系統。

在構建智能樓宇時，包括商用和住宅建筑，讓樓宇節能是確保能效結構不會大幅消耗來自使用化石燃料的傳統能源的先決條件。

對于商業建筑，使其智能化對于入駐其中的組織來說非常關鍵，這是因為節能和改進型的樓宇可以幫助降低能源成本，同時為在其中工作的人員提供高效的工作環境。但是，這種做法本身也存在缺陷。舉例來說，這些樓宇需要其基礎設施可以提供必要的反饋，以實現供暖和制冷系統的高效運行、照明控制和有效地利用空間。這很可能需要使用物聯網(IoT)作為監測和控制環境的方法，且為了實現高效管理和控制，會提高對替代電源的依賴性。

與智能樓宇相關的物聯網趨勢

智能樓宇會不斷改變人們開展日常活動的方式。此外，在節能的同時，智能樓宇還能幫助省錢。為了實現這種轉變，有些物聯網智能樓宇趨勢正在形成。

預測性維護利用傳感器(IoT)和其他硬件設備來獲取商業建筑和樓宇內所有設備的狀態報告就是個很好的例子。這種反饋讓我們能夠在需要時，及時有效地實施必要維護。通過使用預測性維護方法，可以解決預測性維護安排期間經常出現的不可預見的問題。

此外，空氣質量會給員工效率造成不利影響。對這一領域開展的行業研究表明，在室內環境質量良好的樓宇中工作的人員，效率比在傳統樓宇中工作的人員高10%。所以，物聯網設備可以使用作為Mesh網絡組成部分的各種傳感器來測量和檢測空氣質量，以及空氣中的二氧化碳含量。這些設備連接至樓宇基礎設施的所有部分，可以確保其內的環境和人員保持健康和高效。

另一項預計會取得進展的新趨勢是在智能樓宇中使用物聯網支持的應用。使用熱成像讓設備經理檢查其設備是否超出正常的操作溫度范圍就是個很好的例子。這很容易檢測到，所以可以在設備中斷正常的操作模式之前實施維護。例如，物聯網可以改變商業設備經理跟蹤信息、測量和收集數據的方式，這包括以前難以到達、不可進入的區域。在樓宇各處安裝傳感器讓他們可以跟蹤獲取以前無法獲取的所有信息。通過使用物聯網互聯系統，設備經理現在能夠使用這些系統獲取所有相關信息。

此外，物聯網讓商業業主的樓宇擁有充足的能源成為可能。這對樓宇的設計產生了影響，使它們既環保又資源高效。此外，這些智能樓宇管理系統可以在任何位置進行遠程管理，使用可由指示器（例如振動和溫度波動）控制的傳感器來取代過時的重型建筑設備。很顯然，這可以節省大量能源和資金，同時降低維護成本。

最后，物聯網對樓宇造成的最重要的影響之一即是能效。傳感器網絡提供信息，幫助管理者更有效地管控其資產，同時減少環境中的有害廢物。例如：

使用傳感器來控制溫度

使用執行器實施HVAC控制

為樓宇提供完整的能源自動化等復雜應用

關注天氣預報，以實時節省能源成本

無線傳感器節點：一種能量收集關鍵應用

能量收集系統的一個關鍵應用是樓宇自動化系統中的無線傳感器。在美國，樓宇是每年消耗能源最多的領域，緊隨其后的是交通和工業領域。

使用能量收集技術的無線網絡可以將樓宇內任意數量的傳感器連接在一起，在樓宇或房間內無人時調節溫度或關閉非關鍵區域的照明設備，以降低HVAC和電力成本。此外，能量收集電子設備的成本往往低于運行供電線路的成本，或低于更換電池實施的例行維護的成本，所以很明顯，采用能量收集技術可以獲得經濟收益。

但是，如果每個節點都需要自己的外部電源，無線傳感器網絡的多種優勢都將不復存在。盡管現行的電源管理開發使電子電路能夠在給定電源下運行更長時間，但也存在限制，而能量收集為其提供了一種補充方法。所以，能量收集是通過將本地環境能源轉化為可用的電能，為無線傳感器節點提供電源的一種方式。環境能源包括光照、溫度差、機械振動、傳輸的射頻信號，或者能夠通過傳感器產生電荷的其他源。這些能源無處不在，可以通過使用合適的傳感器，例如針對溫度差的熱電發電機(TEG)、針對振動的壓電元件、針對光照（或室內照明）的光伏電池，甚至濕氣中的原生能，將它們轉化為電能。這些所謂的“免費”能源可用于自動為電子組件和系統提供電源。

現在整個無線傳感器節點可以在微瓦平均功率級水平下工作，所以可以使用非傳統電源來為它們供電。這就導致了能量收集技術，為使用電池不方便、不可行、成本高昂或危險的系統提供充電、補充電源，或者替換其電池。也無需使用電纜來傳輸電力或傳輸數據。

典型的能量收集配置或無線傳感器節點(WSN)一般由4個塊組成，如圖1所示。它們分別是：

環境能源

一種為下游電子設備供電的換能器元件和功率轉換電路

一種鏈接節點與物理世界的傳感組件，以及用于處理測量數據并將它們保存在存儲器中的微處理器或微控制器組成的計算組件。

一種通信組件，包含短距無線電，用于和鄰近節點及外部世界無線通信。

環境能源示例包括連接到制熱源（例如HVAC風道）上的TEG（或熱電堆），或者連接到振動機械源（例如窗玻璃）上的壓電式傳感器。至于熱源，一個緊湊的熱電器件可以將小溫差轉變為電能。在存在機械振動或應力的環境中，壓電器件可用于將這些能源轉化為電能。

電能產生后，即會被能量收集電路轉化，并調整為適合下游電子設備使用的電源。所以，微處理器可以喚醒傳感器來進行讀取或實施測量，然后由模數轉換器(ADC)來進行處理，并通過超低功率無線收發器進行傳輸。

圖1. 典型能量收集系統的主要模塊。

當然，能量收集源提供的電能由源運行的時長決定。所以，比較回收能源的主要指標在于功率密度，而非能源密度。能量收集一般會受較低、可變、不可預測的可用功率水平影響，所以通常使用混合結構，與收集器和二次儲能器連接。收集器可以提供無限量的電源但功率不足，是系統的能量來源。二次儲能器（電池或電容）產生更高的輸出功率，但存儲的電能較少，可在需要時提供電源，但是需要定期從收集器接收充電。所以，在不存在環境能源，無法收集電能的環境中，必須使用二次儲能器來為WSN供電。

成功設計一個完全獨立的無線傳感器系統需要使用穩定可用的低功耗微控制器和換能器，在低能耗環境中消耗最少電能。這種能量收集器模塊的現有實施方法如圖1所示。它們通常由低性能分立器件配置構成，一般包含30個或更多器件。這種設計具有低轉換效率和高靜態電流。這些缺陷會導致終端系統的性能降低。

由于高靜態電流限制了能量收集源的輸出最低限制，所以在給輸出提供額外功率之前，它必須先克服自身運行所需的電流電平。在上述應用中，ADI的Power by Linear? (PbL)產品系列可以提供高性能和簡單性。

能量收集示例

LTC3109是一款高度集成的DC-DC轉換器和電源管理器。它可以從極低輸入電壓源收集剩余能量并進行管理，例如TEG、熱電堆，甚至小型太陽能電池。其獨特的專有自動極性變換拓撲使其能夠使用低至30 mV的輸入源進行操作，無論輸入源是什么極性。

圖2所示的電路使用兩個緊湊型升壓變壓器將輸入電壓源升壓來提供給LTC3109的輸入，從而為無線檢測和數據采集應用提供完整的電源管理解決方案。它可以收集較小的溫度差并生成系統電源，而不是使用傳統的電池電源。

圖2. LTC3109典型應用原理圖。

然后，使用外部充電泵電容和LTC3109內的整流器來提升和整流每個變壓器的二次繞組上產生的交流電壓。這個整流器電路將電流輸入VAUX引腳，為外部VAUX電容充電、然后是其他輸出充電。內部的2.2 V LDO控制器可以支持低功耗處理器或其他低功耗IC。

結論

由于全球都缺乏模擬開關模式電源設計專業知識，所以很難為環保樓宇設計出高效的能量收集系統。主要阻礙之一是與遠程無線傳感相關的電源管理。但是，LTC3109這類的產品可以從幾乎所有熱源提取能量，從而使系統設計人員能夠使用能量收集電源。這不但可以減少使用化石燃料，還有助于為現在和未來的幾代人創建更環保的樓宇環境。

審核編輯：郭婷