代顯智， 張 章

（西華師范大學物理與電子信息學院，四川南充637000）

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)的無線傳感器都通過電池供給能量，但無線傳感器體積微小，自身攜帶的電池能量有限，不能滿足長期工作需要。如有些傳感器可能放在很遠的地方，或用于野生動物跟蹤的全球定位裝置。當這些裝置的電量用完后，需要被找回重新?lián)Q上電池，這是非常昂貴甚至不可能完成的任務(wù)。為此，研究人員提出采用自供能技術(shù)克服電池壽命短的問題。自供能又稱為能量采集，它將環(huán)境中其它形式的能量（如光、熱、振動等）轉(zhuǎn)化為電能，為電子設(shè)備提供能量，可使電子設(shè)備獲得永不枯竭的能量。雖然從環(huán)境中采集的能量通常比較小，但許多微功耗產(chǎn)品的能耗己降到微瓦至毫瓦的水平[1]。這使得采集環(huán)境能量為微電子設(shè)備提供電能成為可能。環(huán)境中能量采集的來源包括：太陽能、振動能、人體能、熱能（溫差）、噪聲等多種能源[2]。環(huán)境中不同能量源提供的最大功率密度不同，要實現(xiàn)傳感器的自供電，與環(huán)境能量源密切相關(guān)，只有選擇所在環(huán)境中充足的能量源，才能使傳感器獲得足夠的能量。我們對環(huán)境中常見能量源（太陽能、振動能、人體能、熱能、噪聲能）的轉(zhuǎn)換原理、特點、研究現(xiàn)狀進行了介紹，并歸納了各自的優(yōu)缺點，為自供能傳感器的能量源選擇提供一定的參考。

1 太陽能能量采集

太陽能是目前最具有吸引力的能源，通過太陽電池可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。太陽電池是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，其工作原理為：當光照射在半導(dǎo)體上時，半導(dǎo)體內(nèi)的自由電子和空穴產(chǎn)生漂移，分別聚集在兩端電極上，產(chǎn)生光生電動勢，外接上負載，就可產(chǎn)生光生電流[3]。

將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能首先由Edmund Becquerel在1839年發(fā)現(xiàn)。但直到1954年Bell實驗室才研制出太陽電池。隨著衛(wèi)星通訊的蓬勃發(fā)展，以及科學試驗衛(wèi)星、宇宙飛船、空間站的頻繁升空，推動了太陽電池的發(fā)展。1958年美國首先將太陽電池用于衛(wèi)星供電。在70年代以前，太陽電池效率低，售價昂貴，主要應(yīng)用在空間探索中。70年代以后，隨著對太陽電池的材料、結(jié)構(gòu)、工藝的深入研究，在效率和成本方面取得了較大的進展，發(fā)展了很多種類的太陽電池，如多晶、單晶、非晶硅電池以及薄膜電池等等[4]。單晶硅電池光電轉(zhuǎn)換效率最高，實驗室里獲得的最高轉(zhuǎn)換效率為24.7%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為17.5%；多晶硅電池在實驗室獲得的最高轉(zhuǎn)換效率為19.8%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為13.4%～14.8%；非晶硅電池在實驗室獲得的最高轉(zhuǎn)換效率為14.5%，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%[3]。

利用太陽電池可以產(chǎn)生微瓦至千瓦量級的電能輸出，已應(yīng)用于PDA、衛(wèi)星、照明、加熱器、MEMS靜電執(zhí)行器等設(shè)備中[4]，但是，太陽電池的光電轉(zhuǎn)化受到光照條件的限制，在無光或光線暗淡的情況下就很不理想。在中午陽光直射時，地球表面太陽輻射的功率密度大約為100 mW/cm2。在室外陰天，太陽輻射功率密度只有150 μW/cm2，而在正常辦公照明條件下，只有6 μW/cm2。如果用電設(shè)備主要在室外和白天工作，太陽電池可為這些設(shè)備提供一個很好而且技術(shù)成熟的能量解決辦法。但對于那些工作在室內(nèi)或無光環(huán)境中的用電設(shè)備，太陽電池無法為這些設(shè)備提供足夠的電能。

2 振動能量采集

振動能是環(huán)境中普遍存在的一種能源，廣泛存在于橋梁、樓宇、船舶、車輛、機床、飛行器、家用電器（冰箱、洗衣機、微波爐）等各種生產(chǎn)和生活設(shè)備中，也存在于人體的血液流動、心臟跳動、肢體運動等生命過程中。Shad Round對多種振動源進行了測試，測試表明大多數(shù)振動源的振動頻率低于200 Hz，加速度在 0.1～12m/s2[5]。Shad Round 研究還表明環(huán)境中的振動具有較高的比功率，在120 Hz、2.25m/s2加速度振動下，比功率達到200 μW/cm3[5]。因此對振動能進行采集為無線傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)等低功耗設(shè)備供電有著廣泛的應(yīng)用前景。例如，南安普頓大學設(shè)計的振動能量采集器成功采集了辦公室空調(diào)調(diào)節(jié)器的振動能量，為無線加速度傳感器提供了充足的能量[6]；Perpetuum公司生產(chǎn)的振動能量采集器己成功應(yīng)用在火車車輪的軸承監(jiān)測上；Ferro Solutions公司的振動能量采集器己應(yīng)用于美國海軍的輪船和潛艇的健康監(jiān)測中。

將振動轉(zhuǎn)換為電能的方式有：電磁方式、靜電方式、壓電方式、磁電方式[7]。電磁方式是利用電磁感應(yīng)原理來發(fā)電。靜電方式是利用兩個帶電極板相對運動來發(fā)電。壓電方式是利用壓電效應(yīng)發(fā)電。磁電方式是利用磁致伸縮/壓電層合材料的磁電效應(yīng)發(fā)電，即：能量采集器將振動轉(zhuǎn)化為磁場的變化，在變化磁場的作用下，磁致伸縮層產(chǎn)生機械應(yīng)變，機械應(yīng)變傳遞到壓電層產(chǎn)生電輸出[8]。

1995年英國謝菲爾大學Williams等人首先建立了振動轉(zhuǎn)化為電能的通用模型，并于1997年設(shè)計制作了一臺微電磁式微發(fā)電機，在4.4 kHz激勵頻率下能產(chǎn)生0.3 μW的功率。2001年南安普頓大學EI-Hami等人設(shè)計的電磁式振動能量采集器，在320 Hz、25 μm振幅下能產(chǎn)生0.53 mW的功率，在振幅較大時能獲得超過1 mW的功率。2002年美國伯克利大學Shad Roundy等人對三種類型的靜電式振動能量采集器進行了研究[5]，他們的理論結(jié)果表明在120 Hz、2.25m/s2的振動條件下，靜電采集器最大能產(chǎn)生116 μW/cm3的比功率。2003年Huang J K提出了電磁式振動能量采集器[8]，他們制作的原型在30 Hz、0.5g(1g=9.8m/s2)的加速度下能產(chǎn)生1.2 mW的功率，換能器的比功率達到10 mW/cm3。2003年Shad Roundy等人[9]制作的壓電懸臂梁采集器在120 Hz、2.5m/s2加速度激勵下，輸出功率達到375 μW(相應(yīng)的比功率為375 μW/cm3)，能為1.9 GHz的無線射頻發(fā)射器提供足夠的能量[5]。2004年南安普頓大學Glynne-Jones等人設(shè)計的磁電式振動采集器，安裝在小汽車的引擎上，在1.24 km的路程中獲得了157 μW的平均功率，其中最大瞬時功率達到4 mW[10]。2005年Fabio Peano等人對駐極體MEMS靜電振動能量采集器進行了優(yōu)化設(shè)計[11]，通過模擬計算，采集器在911 Hz、5 μm振幅下，能輸出50 μW的功率。2007年英國布里斯托爾大學Burrow等人設(shè)計了一個非線性電磁振動能量采集器[12]，該采集器具有10 Hz的帶寬，在32 Hz、約43.4m/s2的振動下，采集器能輸出120 mW的功率。2008年愛爾蘭科克大學Saha提出了一種磁懸浮的電磁振動能量采集器，用于采集人行走時的能量[13]，樣機在人行走時產(chǎn)生了0.95 mW的平均功率；慢跑時平均功率達2.46 mW。2009年重慶大學研究團隊提出了基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的磁電式振動能量采集器，并對同一磁路中放置單個和多個換能器的采集器進行了研究，在0.5、1、2.5g的加速度下獲得0.66、2.82、7.13 mW的輸出功率，最大比功率達到1.1 mW/cm3[14]。

3 人體能量采集

人體能量是一個非常有吸引力的能量源。因為人在運動或靜止時，都在不斷地耗散能量。人體能量可分為主動能和被動能。人體主動能是指為了獲得電能而要求人做出某種特定運動產(chǎn)生的能量?，F(xiàn)在市場上已有這類產(chǎn)品，包括自供能無線收音機、自供能手電筒、自供能手機充電器[15]。這些裝置一般采用轉(zhuǎn)動曲柄或搖動方式來提供能量。人體被動能是指人在做日常工作、體育運動、行走、休息時產(chǎn)生的能量。人體被動能主要表現(xiàn)形式為：運動產(chǎn)生的機械能和體溫散發(fā)的熱能。與人體主動能相比，它不需要人做出專門的運動來維持，解決了能源維持的問題。因此，人體被動能受到了許多研究者的關(guān)注。

1996年Starner對人體可提供的能量進行了研究[16]。研究表明一個人每天要耗散10.5 MJ的能量，這相當于人體平均要耗散121 W的功率。Starner還詳細分析了人體中最具有潛力的能量源，并給出了這些能量源可提供的最大電功率（見表1）。這些能量源包括：呼吸、體溫、血液流動、手臂活動、打字和行走。其中，行走和體溫產(chǎn)生的電功率最大，可從行走中可獲得5～8.3 W的功率，從體溫中可獲得2.4～4.8 W的功率。另外，血壓產(chǎn)生的功率達到0.37 W，如果能利用到2%的功率，可為微型醫(yī)療傳感器提供足夠的能量。

由于人行走時產(chǎn)生的能量最大，大部分的研究集中在人行走時的能量采集上。采集人行走能量的方法有：壓電鞋墊[17]、旋轉(zhuǎn)電磁發(fā)電機[17]、線性電磁發(fā)電機、利用液體壓力耦合到壓電材料的發(fā)電機等。1998年MIT實驗室的Joe Par-adiso等人制作了放于運動鞋中的壓電鞋墊[17]，壓電鞋墊在腳趾部能產(chǎn)生1.3 mW的功率，在腳后跟部能產(chǎn)生8.3 mW的功率。2001年MIT實驗室Shenck等人制作了另一種電磁式能量采集器[17]，采集器嵌入在運動鞋底，有一旋轉(zhuǎn)臂從鞋中延伸出來，人行走時，踩壓旋轉(zhuǎn)臂使其產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，驅(qū)動兩個直流電磁發(fā)電機產(chǎn)生電輸出，當每秒行走兩步時，采集器能輸出58.1 mW的功率。

人體能量另一種潛力能源是人體散發(fā)的熱能。人體散發(fā)的熱能可利用熱電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為電能。1997年Stark等人對人體熱能采集進行了研究，他們的熱能采集裝置在10℃溫差下能獲得15 μW/cm2的功率密度[18]。目前Thermo Life Energy公司研制的人體熱能采集器的輸出功率最大，在5℃的溫差下能產(chǎn)生28 μW的功率，在10℃的溫差下能產(chǎn)生135 μW的功率。

雖然從人體能量中可獲得超過毫瓦的功率，但人體能量不能直接用于遠程無線傳感器中，僅適合用于人體可穿戴電子設(shè)備和便攜式設(shè)備中[16]，這就限制了人體能量采集的應(yīng)用范圍。

4 熱能能量采集

熱能是自然界普遍存在的另一種能源，利用溫度的變化也可實現(xiàn)能量采集。環(huán)境中可利用的熱能來源有：人和動物的體熱，機械運動產(chǎn)生的磨擦熱，以及地熱等等。環(huán)境中的熱能可利用熱電材料的Seebeck效應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能。Seebeck效應(yīng)是將兩種不同類型的熱電材料N端和P端相連接，然后將這兩端置于不同溫度環(huán)境中，由于熱激發(fā)的作用，高溫端將產(chǎn)生比低溫端高的電子和空穴濃度，在濃度梯度的作用下，電子和空穴向低溫端擴散，在低溫開路端形成電勢差。如果將許多N型和P型熱電材料對連接成一個大的模塊，就能夠產(chǎn)生足夠高的電壓，形成溫差發(fā)電機。溫差發(fā)電機的轉(zhuǎn)換效率可利用卡諾效率來計算：η=(TH-TL)/TH=ΔT/，式中，TH和 TL分別為溫差發(fā)電機的高低溫度端的絕對溫度，ΔT為溫差。通常環(huán)境中的溫差較小，所以卡諾效率不高。如人體溫度為37℃，在20℃房間中的溫差為17℃，卡諾效率僅為5.5%；如果人體與外界溫差只有5℃的話，此時的卡諾效率只有1.6%。由于現(xiàn)有熱電材料的轉(zhuǎn)換效率不高，在5～20℃的溫差內(nèi)，實際熱電材料轉(zhuǎn)換效率為0.2%～0.8%[18]。

一些研究者己對溫差發(fā)電機進行了研究。1997年Strodeur和Stark研制的微型溫差發(fā)電機在10℃溫差下產(chǎn)生的功率密度為15 μW/cm2[18]。Applied Digital Solutions公司推出的商用溫差發(fā)電機[2]，外形像一個紐扣電池，其底面積為0.5 cm2，厚1.6 mm，在10℃溫差下能產(chǎn)生1 V電壓和40 μW的功率。2007年，西北太平洋國家實驗室研制了一款能采集低溫差的熱電發(fā)電機[2]。他們的發(fā)電機采用獨特的方式集成了許多微小的熱電偶，能采集溫差在2℃以上的熱能。該發(fā)電機可采集到幾微瓦到幾百毫瓦的功率（依賴于溫差以及發(fā)電機的數(shù)量和大小），具有較廣的應(yīng)用范圍，可用來采集地面與空氣、水和空氣、皮膚和空氣間的溫度梯度能。

雖然利用熱電材料實現(xiàn)熱能采集的裝置有許多優(yōu)點：無機械運動部件，無振動和噪聲，使用壽命長，體積小質(zhì)量輕，易于實現(xiàn)和其它電子和光電器件集成，但是環(huán)境中的溫差不大，且溫差發(fā)電機的效率低，熱電轉(zhuǎn)化功率密度不高，小于60 μW/cm2[19]。

5 聲能能量采集

大多數(shù)的聲能采集器利用赫姆霍茨諧振器來采集聲能。聲能采集器的原理，如圖1所示。聲能采集器將赫姆霍茨諧振器的背板換成一壓電膜片，當聲音從小孔處進入空腔后，激勵腔體中的氣體（通常是空氣），使氣體分子對壓電膜片產(chǎn)生機械壓力，壓電膜片將這個壓力轉(zhuǎn)化成電能，實現(xiàn)聲能到電能的轉(zhuǎn)換。

2003年Round對聲能比功率進行了研究，研究表明在75 dB聲強下，聲能比功率為0.003 μW/cm3，在100 dB聲強下，聲能比功率為0.96 μW/cm3。聲能的比功率遠低于太陽能和振動的比功率，所以聲能能量采集的研究較少。2005年佛羅里達大學Stephen等人提出了一種MEMS的聲能能量采集器，其原理與圖1所示原理相同，在149 dB的聲強下獲得了0.34 μW/cm2的功率密度。他們預(yù)計隨著制造水平的提高，在149 dB的聲強下可獲得250μW/cm2的功率密度。2006年佛羅里達大學Kadirvel等人也研究了另一種利用赫姆霍茨諧振器的聲能量采集器[20]，在頻率為2.748 kHz、聲強為159 dB的正弦聲激勵下，能產(chǎn)生36 mW的功率。雖然他們獲得了毫瓦級的功率，但是他們采用的聲強非常大，在自然環(huán)境中幾乎不存在，這樣的聲強可使人的耳膜破裂，因為人耳能承受的聲強小于140 dB。

6 總結(jié)

為了便于比較，將環(huán)境中各種能量源功率密度列于表2中。由表2可以看出，太陽能、人體能量、振動能都具有較高的功率密度，環(huán)境溫度梯度次之，噪聲的功率密度最小。從本文的介紹可看出：太陽能適用于室外、白天工作的用電設(shè)備，對于那些工作在室內(nèi)或無光環(huán)境中的用電設(shè)備，太陽電池無法為這些設(shè)備提供足夠的電能。人體能量也具有較高的功率密度，但它僅適合用于人體可穿戴電子設(shè)備和便攜式設(shè)備中，限制了人體能量的應(yīng)用范圍。振動能適用于振動場合的用電設(shè)備，在無振動的環(huán)境中無法提供充足的能量，但在自然環(huán)境中，振動普遍存在，所以它是一種很有潛力的能量源。由于環(huán)境中的溫差較小，且熱電轉(zhuǎn)換效率較低，環(huán)境中熱能的應(yīng)用前景不如前三種能量源樂觀。環(huán)境中聲能的功率密度太小，其實際應(yīng)用意義不大。可見，每一種能量源都有其優(yōu)缺點，自供能傳感器選擇能量源時，要根據(jù)所應(yīng)用的環(huán)境來選擇，也可同時采集環(huán)境中的多種能量源，提高傳感器對環(huán)境的適應(yīng)力。但隨著自供能技術(shù)和微機電系統(tǒng)的發(fā)展，可預(yù)計自供電技術(shù)提供的能量將成為無線傳感器、各種移動設(shè)備、小型電子設(shè)備的主要能量源，必將對今后許多電子系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)生深遠的影響。

表2 環(huán)境中能量源的供能密度

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