光伏電池在能量收集中的應(yīng)用，超低功率解決方案可用于眾多的無線系統(tǒng)，包括交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測、工業(yè)檢測、樓宇自動化和貴重物品追蹤。

此類系統(tǒng)通常在其服役生涯的大部分時(shí)間里都處于待機(jī)睡眠模式，僅需極低的μW級功率。當(dāng)被喚醒時(shí)，傳感器將測量諸如壓力、溫度或機(jī)械偏轉(zhuǎn)等參數(shù)并以無線的方式把這些數(shù)據(jù)傳送至一個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。整個(gè)測量、處理和傳送時(shí)間通常只有幾十ms，但在此短暫期間內(nèi)有可能需要幾百mW的功率。

由于這些應(yīng)用的占空比很低，因此必須收集的平均功率也會相對較低。電源可能就是一節(jié)電池而已。然而，電池將不得不以某種方式進(jìn)行再充電，最終還得更換。在許多此類應(yīng)用中，實(shí)際更換電池的成本之高使其缺乏可行性。這使得環(huán)境能量源成為了一種更具吸引力的替代方案。

新興的毫微功率無線傳感器應(yīng)用

就樓宇自動化而言，諸如占有傳感器、溫度自動調(diào)節(jié)器和光控開關(guān)等系統(tǒng)能夠免除通常所需的電源或控制線路，而代之以一個(gè)機(jī)械或能量收集系統(tǒng)。除了可以免除首先進(jìn)行線路安裝(或在無線應(yīng)用中定期更換電池)的需要之外，這種替代方法還能減低有線系統(tǒng)往往存在的例行維護(hù)成本。

類似地，運(yùn)用能量收集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒁淮苯ㄖ�物�?nèi)任何數(shù)目的傳感器鏈接到一起，以通過在建筑物內(nèi)無人居住時(shí)關(guān)斷非緊要區(qū)域的供電來降低采暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)以及照明成本。

典型的能量收集配置或無線傳感器節(jié)點(diǎn)由4個(gè)模塊組成(見圖1)。它們是：1、一個(gè)環(huán)境能量源，比如：太陽能電池;2、一個(gè)用于給節(jié)點(diǎn)的其余部分供電的功率轉(zhuǎn)換組件;3、一個(gè)將節(jié)點(diǎn)鏈接到現(xiàn)實(shí)世界的感測組件以及一個(gè)計(jì)算組件(由微處理器或微控制器組成，負(fù)責(zé)處理測量數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)存貯到存儲器中);4、一個(gè)由短程無線單元組成的通信組件，用于實(shí)現(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)及外部世界的無線通信。

環(huán)境能量源的實(shí)例包括連接到某個(gè)發(fā)熱源(例如：HVAC管道)的熱電發(fā)生器(TEG)或熱電堆，抑或是連接至某個(gè)機(jī)械振動源(如：窗玻璃)及太陽能電池的壓電換能器。在存在發(fā)熱源的情況下，緊湊的熱電器件(常被稱為“換能器”)能夠?qū)⒑苄〉臏夭钷D(zhuǎn)換為電能。而當(dāng)存在機(jī)械振動或應(yīng)變時(shí)，則壓電器件能夠用來把很小的振動或應(yīng)變差轉(zhuǎn)換為電能。最后，在存在光源的場合中，光伏電池在峰值日照條件下每平方厘米的面積能產(chǎn)生50W以上的電功率，而在室內(nèi)照明條件下則可產(chǎn)生高達(dá)100μW的電功率。

一旦電能產(chǎn)生出來，就可以由一個(gè)能量收集電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換并調(diào)整為合適的形式，用于給下游電子組件供電。因此，一個(gè)微處理器可以喚醒一個(gè)傳感器，以獲取讀數(shù)或測量值，然后讀數(shù)或測量值可利用一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器加以處理，以通過一個(gè)超低功率無線收發(fā)器進(jìn)行傳輸。

該鏈路中的每個(gè)電路模塊迄今都受到一些特殊的限制，從而影響了它們在商業(yè)中的應(yīng)用。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有一段時(shí)間，而超低功率收發(fā)器只是到最近才可實(shí)現(xiàn)與微控制器的集成(以提供非常低功率的無線連接)。不過，該鏈路中所欠缺的一直是能量收集IC。

現(xiàn)有的能量收集器/管理器模塊實(shí)現(xiàn)方案往往采用性能相對較低的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括30個(gè)或更多的組件。此類設(shè)計(jì)具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這兩個(gè)缺陷均導(dǎo)致需要使用較大和更加昂貴的電池及太陽能電池，因而損害了最終系統(tǒng)的性能。

如果不采用這些較大的儲能元件，低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時(shí)間，這反過來又將延長從獲取一個(gè)傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。功率轉(zhuǎn)換電路中的高靜態(tài)電流會嚴(yán)重限制所能收集并輸送至應(yīng)用負(fù)載的“可用”能量。而且，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流運(yùn)作和高功率轉(zhuǎn)換效率還必需擁有高深的模擬開關(guān)模式電源專門知識——這很少能夠輕易獲得。

“缺失的一環(huán)”一直是能夠采集和管理來自極低功率電源之剩余能量的高集成度DC/DC轉(zhuǎn)換器。

能量收集的個(gè)案分析

我們以一個(gè)基于能量收集的工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，比如：埋置于偏僻荒野之中的地下輸油管，它需要連續(xù)監(jiān)測其流速、溫度和壓力(沿管道每50米為一段)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有內(nèi)置于管道壁中的溫度、壓力和流量傳感器。必須每5秒鐘進(jìn)行一次測量并報(bào)告測量結(jié)果。由于輸油管線長達(dá)數(shù)百英里，因此鋪設(shè)供電和信息線路將非常昂貴，且必須提供不間斷的維護(hù)，有可能需要進(jìn)行代價(jià)高昂的修理。另外，定期更換電池也將是一項(xiàng)很花錢的工作，這是因?yàn)殡姵氐臄?shù)目十分龐大，而且偏僻地域的道路往往崎嶇難行。我們所需要的是一種能夠持續(xù)產(chǎn)生足夠功率的電源——它隨時(shí)可用并可自我保持。最常見和易于使用的能量源之一可能是一個(gè)與諸如電池或超級電容器等儲能元件協(xié)同運(yùn)作的小型太陽能電池，用于在夜間及惡劣天氣條件下提供持續(xù)供電。