【導讀】在當今環保的地球友好心態中，似乎一切都在走向綠色。能量收集的概念已經存在了十多年;然而，在現實環境中實施環境能源供電係統一直很麻煩

、複雜且成本高昂。然而
，成功使用能量收集方法的市場示例包括交通基礎設施

、無線醫療設備
、胎壓傳感和樓宇自動化。具體來說
，在樓宇自動化係統的情況下，諸如占用傳感器、恒溫器甚至電燈開關之類的東西已經消除了通常與其安裝相關的電源或控製布線，而是使用局部能量收集係統。

能量收集背景

在當今環保的地球友好心態中

，似乎一切都在走向綠色。能量收集的概念已經存在了十多年;然而，在現實環境中實施環境能源供電係統一直很麻煩、複雜且成本高昂。然而，成功使用能量收集方法的市場示例包括交通基礎設施、無線醫療設備
、胎壓傳感和樓宇自動化。具體來說，在樓宇自動化係統的情況下，諸如占用傳感器
、恒溫器甚至電燈開關之類的東西已經消除了通常與其安裝相關的電源或控製布線，而是使用局部能量收集係統。

建造節能的智能建築
，包括商業和住宅結構，是確保節能結構不會大量使用化石燃料的傳統電源的先決條件。

jiushangyejianzhueryan，shitamenbiandezhinengduiyuanzhizaiqizhongdezuzhizhiguanzhongyao，yinweiyongyoujienenghejingjiandejianzhuyouzhuyujiangdinengyuanchengben
，tongshiyeweiqizhongdegongrentigongshengchanhuanjing。raner
，dadaozheyidianbingfeimeiyouqizishendeyixiliequedian。liru
，zhexiejianzhuwujiangxuyaonenggoutigongbiyaofankuidejichusheshi，yishixiangongnuanhezhilengxitongdegaoxiaoyunxing、照明控製和有效的空間利用。這很可能需要使用物聯網（IoT）作為監測和控製環境的方法，並將增加他們對替代電源的依賴，以有效管理和控製它們。

智能建築的物聯網趨勢

zhinengjianzhujiangbuduangaibianrenmenmeitiankaizhanhuodongdefangshi。ciwai，chulejieyuenengyuanwai，zhinengjianzhuhaijiangyouzhuyujieshengzijin。yixiewulianwangzhinengjianzhuqushiyijingxingcheng，yishixianzhezhongzhuanbian。

一個很好的例子是預測性維護將如何利用傳感器（IoT）和he其qi他ta硬ying件jian設she備bei來lai獲huo取qu有you關guan商shang業ye建jian築zhu及ji其qi中zhong所suo有you設she備bei狀zhuang態tai的de報bao告gao。這zhe種zhong反fan饋kui將jiang使shi我wo們men能neng夠gou在zai需xu要yao時shi及ji時shi有you效xiao地di安an排pai任ren何he必bi要yao的de維wei護hu時shi間jian。預yu防fang性xing維wei護hu計ji劃hua中zhong通tong常chang出chu現xian的de不bu可ke預yu見jian的de問wen題ti可ke以yi通tong過guo使shi用yong預yu測ce性xing維wei護hu方fang法fa來lai克ke服fu。

ciwai，gongrendeshengchanlikenenghuishoudaokongqizhiliangdebuliyingxiang。gailingyudexingyeyanjiubiaoming
，yugengchuantongdejianzhuwuxiangbi，danggongrenzaishineihuanjingzhilianglianghaodejianzhuwuzhonggongzuoshi，tamendegongzuoxiaolvtigaole 10%。同tong樣yang，物wu聯lian網wang設she備bei可ke用yong於yu測ce量liang和he檢jian查zha空kong氣qi質zhi量liang
，以yi及ji使shi用yong作zuo為wei網wang狀zhuang網wang絡luo一yi部bu分fen的de各ge種zhong傳chuan感gan器qi中zhong的de二er氧yang化hua碳tan水shui平ping。這zhe些xie設she備bei連lian接jie到dao建jian築zhu基ji礎chu設she施shi的de所suo有you區qu域yu
，從cong而er能neng夠gou保bao持chi環huan境jing和he其qi中zhong每mei個ge人ren的de健jian康kang和he生sheng產chan力li。

yujiweilaidelingyigexinqushishizaizhinengjianzhuzhongshiyongwulianwangzhichideyingyongchengxu。yigehenhaodelizishishiyongrechengxiangjishu
，shisheshiguanlirenyuannenggoujianzhatamendeshebeishifouchaochuqigongzuowendufanwei。zhekeyihenrongyidijiancedao，congeryunxuzaishebeizhongduanqizhengchangyunxingmoshizhiqianjinxingweihu。liru，wulianwangjianggaibianshangyesheshiguanlirenyuangenzongxinxiyijiceliangheshoujishujudefangshi;這(zhe)包(bao)括(kuo)以(yi)前(qian)難(nan)以(yi)到(dao)達(da)的(de)難(nan)以(yi)進(jin)入(ru)的(de)區(qu)域(yu)。在(zai)建(jian)築(zhu)物(wu)的(de)各(ge)個(ge)部(bu)分(fen)安(an)裝(zhuang)傳(chuan)感(gan)器(qi)將(jiang)跟(gen)蹤(zong)他(ta)們(men)過(guo)去(qu)從(cong)未(wei)訪(fang)問(wen)過(guo)的(de)所(suo)有(you)信(xin)息(xi)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)物(wu)聯(lian)網(wang)互(hu)連(lian)係(xi)統(tong)，設(she)施(shi)管(guan)理(li)人(ren)員(yuan)現(xian)在(zai)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)訪(fang)問(wen)所(suo)有(you)相(xiang)關(guan)信(xin)息(xi)。

物wu聯lian網wang將jiang使shi商shang業ye業ye主zhu擁yong有you能neng源yuan充chong足zu的de建jian築zhu物wu成cheng為wei可ke能neng。這zhe影ying響xiang了le建jian築zhu物wu的de設she計ji，並bing使shi它ta們men具ju有you環huan保bao和he資zi源yuan效xiao率lv。此ci外wai
，這zhe些xie智zhi能neng樓lou宇yu管guan理li係xi統tong可ke以yi從cong任ren何he地di方fang進jin行xing遠yuan程cheng管guan理li

，從cong而er可ke以yi用yong傳chuan感gan器qi取qu代dai過guo時shi的de重zhong型xing建jian築zhu設she備bei，這zhe些xie傳chuan感gan器qi可ke以yi使shi用yong振zhen動dong和he溫wen度du波bo動dong等deng指zhi標biao進jin行xing控kong製zhi。顯xian然ran
，這zhe節jie省sheng了le大da量liang的de能neng源yuan和he金jin錢qian，同tong時shi也ye降jiang低di了le維wei護hu成cheng本ben。

zuihou，wulianwangduijianzhuwuzuizhongyaodeyingxiangzhiyishinengyuanxiaolv。chuanganqiwangluoyouzhuyutigongxinxi，bangzhuguanlirenyuangengyouxiaodikongzhiqizichan
，tongshijianshaohuanjingzhongdeyouhaifeiwu。shilibaokuo：

• 使用傳感器進行溫度控製

• 使用執行器進行暖通空調控製

• 複雜的應用
，例如為建築物提供完整的能源自動化

• 考慮天氣預報以節省實時能源成本

• 無線傳感器節點：能量收集的關鍵應用

能neng量liang收shou集ji係xi統tong的de一yi個ge關guan鍵jian應ying用yong是shi樓lou宇yu自zi動dong化hua係xi統tong中zhong的de無wu線xian電dian傳chuan感gan器qi。在zai美mei國guo，建jian築zhu物wu是shi每mei年nian能neng源yuan生sheng產chan的de頭tou號hao用yong戶hu，緊jin隨sui其qi後hou的de是shi運yun輸shu和he工gong業ye部bu門men。

liyongnengliangshoujijishudewuxianwangluokeyijiangjianzhuwuzhongrenyishuliangdechuanganqilianjiezaiyiqi
，yizaijianzhuwuhuofangjianwurenjuzhushitiaojiewenduhuoguanbifeibiyaoquyudedenglaijiangdiHVAC和he電dian力li成cheng本ben。此ci外wai，能neng量liang收shou集ji電dian子zi設she備bei的de成cheng本ben通tong常chang低di於yu運yun行xing電dian源yuan線xian或huo更geng換huan電dian池chi所suo需xu的de日ri常chang維wei護hu，因yin此ci采cai用yong收shou集ji功gong率lv技ji術shu顯xian然ran可ke以yi獲huo得de經jing濟ji收shou益yi。

然(ran)而(er)，如(ru)果(guo)每(mei)個(ge)節(jie)點(dian)都(dou)需(xu)要(yao)自(zi)己(ji)的(de)外(wai)部(bu)電(dian)源(yuan)，無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)的(de)許(xu)多(duo)優(you)勢(shi)就(jiu)會(hui)消(xiao)失(shi)。盡(jin)管(guan)正(zheng)在(zai)進(jin)行(xing)的(de)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)發(fa)展(zhan)使(shi)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)能(neng)夠(gou)在(zai)給(gei)定(ding)電(dian)源(yuan)下(xia)運(yun)行(xing)更(geng)長(chang)時(shi)間(jian)，但(dan)這(zhe)有(you)其(qi)局(ju)限(xian)性(xing)，而(er)功(gong)率(lv)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)提(ti)供(gong)了(le)一(yi)種(zhong)補(bu)充(chong)方(fang)法(fa)。因(yin)此(ci)
，能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)是(shi)一(yi)種(zhong)通(tong)過(guo)將(jiang)本(ben)地(di)環(huan)境(jing)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換(huan)為(wei)可(ke)用(yong)電(dian)能(neng)來(lai)為(wei)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)供(gong)電(dian)的(de)方(fang)法(fa)。環(huan)境(jing)能(neng)量(liang)源(yuan)包(bao)括(kuo)光(guang)、熱差、機械振動、傳chuan輸shu的de射she頻pin信xin號hao或huo任ren何he可ke以yi通tong過guo換huan能neng器qi產chan生sheng電dian荷he的de源yuan。這zhe些xie能neng源yuan就jiu在zai我wo們men身shen邊bian，它ta們men可ke以yi通tong過guo使shi用yong合he適shi的de傳chuan感gan器qi轉zhuan換huan為wei電dian能neng，例li如ru用yong於yu溫wen差cha的de熱re電dian發fa電dian機ji（TEG），用於振動的壓電元件，用於陽光（或室內照明）的光伏電池
，甚至來自水分的電流能。這些所謂的“免費”能源可用於自主為電子元件和係統供電。

由you於yu完wan全quan無wu線xian傳chuan感gan器qi節jie點dian現xian在zai能neng夠gou以yi微wei瓦wa級ji的de平ping均jun功gong率lv水shui平ping運yun行xing，因yin此ci從cong非fei傳chuan統tong來lai源yuan為wei其qi供gong電dian是shi可ke行xing的de。這zhe導dao致zhi了le能neng量liang收shou集ji，在zai電dian池chi使shi用yong不bu方fang便bian
、不切實際
、昂貴或危險的係統中提供充電
、補充或更換電池的電力。它還可以消除對電線傳輸電力或傳輸數據的需求。

典型的能量收集配置或無線傳感器節點（WSN）由四個模塊組成，如圖1所示。這些是：

• 環境能源

• 傳感器元件和電源轉換電路，用於為下遊電子設備供電

• 將節點連接到物理世界的傳感組件
，以及由微處理器或微控製器組成的計算組件
，用於處理測量數據並將其存儲在存儲器中

• 由短程無線電組成的通信組件

，用於與相鄰節點和外部世界進行無線通信。

環境能源的例子包括連接到發熱源（如HVAC管道）的TEG（或熱電堆），或連接到振動機械源（如窗玻璃）的de壓ya電dian換huan能neng器qi。在zai熱re源yuan的de情qing況kuang下xia
，緊jin湊cou的de熱re電dian裝zhuang置zhi可ke以yi將jiang微wei小xiao的de溫wen差cha轉zhuan換huan為wei電dian能neng。在zai存cun在zai機ji械xie振zhen動dong或huo應ying變bian的de情qing況kuang下xia
，可ke以yi使shi用yong壓ya電dian裝zhuang置zhi將jiang其qi轉zhuan換huan為wei電dian能neng。

一(yi)旦(dan)產(chan)生(sheng)電(dian)能(neng)，就(jiu)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)電(dian)路(lu)將(jiang)其(qi)轉(zhuan)換(huan)並(bing)修(xiu)改(gai)為(wei)合(he)適(shi)的(de)形(xing)式(shi)，為(wei)下(xia)遊(you)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)供(gong)電(dian)。因(yin)此(ci)
，微(wei)處(chu)理(li)器(qi)可(ke)以(yi)喚(huan)醒(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)進(jin)行(xing)讀(du)數(shu)或(huo)測(ce)量(liang)，然(ran)後(hou)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)（ADC）進行操作，以便通過超低功耗無線收發器進行傳輸。

圖1.典型能量收集係統的主要模塊。

當(dang)然(ran)，能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)源(yuan)提(ti)供(gong)的(de)能(neng)量(liang)取(qu)決(jue)於(yu)能(neng)量(liang)源(yuan)運(yun)行(xing)的(de)時(shi)間(jian)。因(yin)此(ci)，比(bi)較(jiao)清(qing)除(chu)源(yuan)的(de)主(zhu)要(yao)指(zhi)標(biao)是(shi)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)
，而(er)不(bu)是(shi)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)。能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)通(tong)常(chang)受(shou)到(dao)低(di)

、可(ke)變(bian)和(he)不(bu)可(ke)預(yu)測(ce)的(de)可(ke)用(yong)功(gong)率(lv)水(shui)平(ping)的(de)影(ying)響(xiang)

，因(yin)此(ci)經(jing)常(chang)使(shi)用(yong)與(yu)收(shou)集(ji)器(qi)和(he)輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)存(cun)儲(chu)接(jie)口(kou)的(de)混(hun)合(he)結(jie)構(gou)。收(shou)割(ge)機(ji)由(you)於(yu)其(qi)無(wu)限(xian)的(de)能(neng)量(liang)供(gong)應(ying)和(he)功(gong)率(lv)不(bu)足(zu)，是(shi)係(xi)統(tong)的(de)能(neng)源(yuan)。輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)存(cun)儲(chu)，無(wu)論(lun)是(shi)電(dian)池(chi)還(hai)是(shi)電(dian)容(rong)器(qi)
，產(chan)生(sheng)更(geng)高(gao)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)，但(dan)存(cun)儲(chu)的(de)能(neng)量(liang)更(geng)少(shao)，在(zai)需(xu)要(yao)時(shi)供(gong)電(dian)
，但(dan)定(ding)期(qi)從(cong)收(shou)割(ge)機(ji)接(jie)收(shou)電(dian)荷(he)。因(yin)此(ci)，在(zai)沒(mei)有(you)環(huan)境(jing)能(neng)量(liang)從(cong)中(zhong)獲(huo)取(qu)電(dian)力(li)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)輔(fu)助(zhu)電(dian)源(yuan)為(wei)WSN供電。

成cheng功gong設she計ji完wan全quan獨du立li的de無wu線xian傳chuan感gan器qi係xi統tong需xu要yao現xian成cheng的de節jie能neng微wei控kong製zhi器qi和he換huan能neng器qi，這zhe些xie微wei控kong製zhi器qi和he換huan能neng器qi在zai低di能neng耗hao環huan境jing中zhong消xiao耗hao的de電dian能neng最zui少shao。這zhe種zhong能neng量liang收shou集ji器qi模mo塊kuai的de現xian有you實shi現xian如ru圖tu1所示。這些通常由低性能的分立配置組成，通常包含 30 個ge或huo更geng多duo組zu件jian。這zhe種zhong設she計ji具ju有you低di轉zhuan換huan效xiao率lv和he高gao靜jing態tai電dian流liu。這zhe些xie缺que陷xian會hui導dao致zhi終zhong端duan係xi統tong的de性xing能neng下xia降jiang。考kao慮lv一yi下xia
，由you於yu高gao靜jing態tai電dian流liu限xian製zhi了le能neng量liang收shou集ji源yuan的de輸shu出chu有you多duo低di，係xi統tong必bi須xu首shou先xian克ke服fu自zi身shen運yun行xing所suo需xu的de電dian流liu水shui平ping
，然ran後hou才cai能neng向xiang輸shu出chu提ti供gong任ren何he多duo餘yu的de功gong率lv。

能量收集示例

圖 2 示出了基於 LTC3109 的能量收集係統示例，LTC3109 是一款高度集成的 DC-DC 轉換器和電源管理器

，能夠從極低的輸入電壓源（如 TEG、熱電堆甚至小型太陽能電池）收集和管理剩餘能量。使用自極性拓撲使其能夠從低至30 mV的輸入源工作
，無論極性如何。

圖2.LTC3109的典型應用原理圖。

圖 2 中的電路使用兩個緊湊的升壓變壓器來升壓 LTC3109 的de輸shu入ru電dian壓ya源yuan，從cong而er為wei無wu線xian檢jian測ce和he數shu據ju采cai集ji提ti供gong一yi個ge完wan整zheng的de電dian源yuan管guan理li解jie決jue方fang案an。它ta可ke以yi收shou集ji微wei小xiao的de溫wen差cha並bing產chan生sheng係xi統tong電dian力li
，而er不bu是shi使shi用yong傳chuan統tong的de電dian池chi電dian源yuan。

每個變壓器的次級繞組上產生的交流電壓利用一個外部充電泵電容器和 LTC3109 內部的整流器進行升壓和整流。該整流器電路將電流饋入VAUX引腳，為外部VAUX電容器提供電荷，然後向其他輸出提供電荷。內部2.2 V LDO穩壓器可支持低功耗處理器或其他低功耗IC。

由(you)於(yu)模(mo)擬(ni)開(kai)關(guan)模(mo)式(shi)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)專(zhuan)業(ye)知(zhi)識(shi)在(zai)全(quan)球(qiu)範(fan)圍(wei)內(nei)供(gong)不(bu)應(ying)求(qiu)，因(yin)此(ci)很(hen)難(nan)設(she)計(ji)出(chu)用(yong)於(yu)綠(lv)色(se)建(jian)築(zhu)的(de)有(you)效(xiao)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)係(xi)統(tong)。主(zhu)要(yao)障(zhang)礙(ai)之(zhi)一(yi)是(shi)與(yu)遠(yuan)程(cheng)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)相(xiang)關(guan)的(de)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)方(fang)麵(mian)。然(ran)而(er)，能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)組(zu)件(jian)可(ke)以(yi)從(cong)幾(ji)乎(hu)任(ren)何(he)熱(re)源(yuan)中(zhong)提(ti)取(qu)能(neng)量(liang)，從(cong)而(er)使(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)使(shi)用(yong)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)的(de)電(dian)源(yuan)。這(zhe)不(bu)僅(jin)減(jian)少(shao)了(le)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)的(de)使(shi)用(yong)，還(hai)有(you)助(zhu)於(yu)為(wei)當(dang)代(dai)和(he)後(hou)代(dai)創(chuang)造(zao)一(yi)個(ge)更(geng)環(huan)保(bao)的(de)建(jian)築(zhu)環(huan)境(jing)。

（作者：Tony Armstrong）

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