【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。

就(jiu)商(shang)業(ye)建(jian)築(zhu)而(er)言(yan)
，使(shi)它(ta)們(men)變(bian)得(de)智(zhi)能(neng)對(dui)於(yu)安(an)置(zhi)在(zai)其(qi)中(zhong)的(de)組(zu)織(zhi)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，因(yin)為(wei)擁(yong)有(you)節(jie)能(neng)和(he)精(jing)簡(jian)的(de)建(jian)築(zhu)有(you)助(zhu)於(yu)降(jiang)低(di)能(neng)源(yuan)成(cheng)本(ben)，同(tong)時(shi)也(ye)為(wei)其(qi)中(zhong)的(de)工(gong)人(ren)提(ti)供(gong)生(sheng)產(chan)環(huan)境(jing)。然(ran)而(er)
，達(da)到(dao)這(zhe)一(yi)點(dian)並(bing)非(fei)沒(mei)有(you)其(qi)自(zi)身(shen)的(de)一(yi)係(xi)列(lie)缺(que)點(dian)。例(li)如(ru)，這(zhe)些(xie)建(jian)築(zhu)物(wu)將(jiang)需(xu)要(yao)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)必(bi)要(yao)反(fan)饋(kui)的(de)基(ji)礎(chu)設(she)施(shi)，以(yi)實(shi)現(xian)供(gong)暖(nuan)和(he)製(zhi)冷(leng)係(xi)統(tong)的(de)高(gao)效(xiao)運(yun)行(xing)、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

智zhi能neng建jian築zhu將jiang不bu斷duan改gai變bian人ren們men每mei天tian開kai展zhan活huo動dong的de方fang式shi。此ci外wai，除chu了le節jie約yue能neng源yuan外wai

，智zhi能neng建jian築zhu還hai將jiang有you助zhu於yu節jie省sheng資zi金jin。一yi些xie物wu聯lian網wang智zhi能neng建jian築zhu趨qu勢shi已yi經jing形xing成cheng，以yi實shi現xian這zhe種zhong轉zhuan變bian。

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)。

預yu計ji未wei來lai的de另ling一yi個ge新xin趨qu勢shi是shi在zai智zhi能neng建jian築zhu中zhong使shi用yong物wu聯lian網wang支zhi持chi的de應ying用yong程cheng序xu。一yi個ge很hen好hao的de例li子zi是shi使shi用yong熱re成cheng像xiang技ji術shu，使shi設she施shi管guan理li人ren員yuan能neng夠gou檢jian查zha他ta們men的de設she備bei是shi否fou超chao出chu其qi工gong作zuo溫wen度du範fan圍wei。這zhe可ke以yi很hen容rong易yi地di檢jian測ce到dao，從cong而er允yun許xu在zai設she備bei中zhong斷duan其qi正zheng常chang運yun行xing模mo式shi之zhi前qian進jin行xing維wei護hu。例li如ru

，物wu聯lian網wang將jiang改gai變bian商shang業ye設she施shi管guan理li人ren員yuan跟gen蹤zong信xin息xi以yi及ji測ce量liang和he收shou集ji數shu據ju的de方fang式shi;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。

wulianwangjiangshishangyeyezhuyongyounengyuanchongzudejianzhuwuchengweikeneng。zheyingxianglejianzhuwudesheji，bingshitamenjuyouhuanbaoheziyuanxiaolv。ciwai，zhexiezhinenglouyuguanlixitongkeyicongrenhedifangjinxingyuanchengguanli，congerkeyiyongchuanganqiqudaiguoshidezhongxingjianzhushebei，zhexiechuanganqikeyishiyongzhendonghewendubodongdengzhibiaojinxingkongzhi。xianran，zhejieshengledaliangdenengyuanhejinqian
，tongshiyejiangdileweihuchengben。

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。

利(li)用(yong)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)技(ji)術(shu)的(de)無(wu)線(xian)網(wang)絡(luo)可(ke)以(yi)將(jiang)建(jian)築(zhu)物(wu)中(zhong)任(ren)意(yi)數(shu)量(liang)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)連(lian)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)，以(yi)在(zai)建(jian)築(zhu)物(wu)或(huo)房(fang)間(jian)無(wu)人(ren)居(ju)住(zhu)時(shi)調(tiao)節(jie)溫(wen)度(du)或(huo)關(guan)閉(bi)非(fei)必(bi)要(yao)區(qu)域(yu)的(de)燈(deng)來(lai)降(jiang)低(di)HVAC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、chuanshudeshepinxinhaohuorenhekeyitongguohuannengqichanshengdianhedeyuan。zhexienengyuanjiuzaiwomenshenbian，tamenkeyitongguoshiyongheshidechuanganqizhuanhuanweidianneng，liruyongyuwenchaderedianfadianji（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)。

yidanchanshengdianneng
，jiukeyitongguonengliangshoujidianlujiangqizhuanhuanbingxiugaiweiheshidexingshi
，weixiayoudianzishebeigongdian。yinci
，weichuliqikeyihuanxingchuanganqijinxingdushuhuoceliang

，ranhoukeyitongguomoshuzhuanhuanqi（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(tu)1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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