能量收集器的意义和前景
2013-06-27 12:51:19   来源：微迷   评论：0   点击：

随着无线传感网络和可携带电子器件等技术的进步与发展，以低廉、低功耗智能传感器系统组成和分布式工作的无线传感器网络的发展蒸蒸日上，其应用范围已从军事领域辐射到包括建筑、交通、环保、电力、医疗卫生等工业和民用领域。

和定期充电的移动电话与便携式电脑不同，无线传感网络节点和植入式器件需要依靠自身的电池持续工作。然而，电池不仅增加了微型传感器件的尺寸和重量，并且工作时间有限。更重要的是，定期更换电池是一项非常艰巨的任务，需要大量的花销。在多数情况下，更换电池是器件结构和系统所不允许的。因此，使用化学电池供电是系统发展目前存在的瓶颈之一。要缓解其供电问题，从周围环境中收集能量受到了研究界的广泛关注，因为它不仅可以为易耗电源补偿能量，而且可以替代某些价格昂贵、环保型差的电源方案。能量收集技术的最终目标是实现无限的器件寿命。

这些能量源包括太阳能、温度梯度、声波振动、机械振动等。其中，作为环境中普遍存在的一种能量形式，机械振动是我们比较关心的能量源，这是因为机械振动来源丰富，足以满足应用需求，通过微机电系统（MEMS）可以方便的将振动能转化为所需电能。从小家电到大型的基础设施，振动换能的应用范围可以十分广泛，包括用于结构健康监测的分布式传感器节点、用于医疗的嵌入式或者植入式传感器节点、为大型系统的电池充电、为汽车轮胎压力检测系统供电、为无人飞行器供电以及家用安全系统供电等。目前，振动机械能转化为电能的方法有三种：压电式、静电式、电磁式。其中电磁感应是根据法拉第定律，由振动时磁体和线圈之间的相对运动或者磁场的变化产生了电流，电流的强度依赖于磁场的强度、相对运动速度和线圈的匝数。其模型比较成熟，而且被广泛应用在许多电能收集器中。目前，大尺寸、性能好的体磁铁、多转数和宏范围的线圈在大系统中都已得到了实现，但是由于平面磁铁的性能比较差，通过平面线圈实现匝数受到了限制，还有振动幅度的限制相应的会导致MEMS电磁器件速度的降度，因此电磁能量收集技术在MEMS应用中仍然是一大挑战。静电收集器利用两个传导板在振动激励时发生了相对位移，从而使得机械能转换成为电能。静电收集器最大的优点是很适合集成在微系统中，比如MEMS应用。然而由于其需要启动电压，并且静电器件产生的是高电压、低电流和高输出阻抗，还要考虑到晶元应用中电极短路问题，这些导致通过静电产生电能方式很难实现器件的商业化。然而，压电式能量收集器件具有输出密度大、无须启动电源、结构简单等优点，备受亲睐。因此，作为长期甚至无限生命周期的自主供电系统，压电能量收集器在一些不便更换电池的场合（如大型桥梁、公路的监控）和希望避免电池更换的场合（如植入人体的心脏起博器）具有广阔的发展空间。