能量收集是工程中的一個基本概念。吸收多余的廢物或可用能源并將其回收用于有用的工作是有意義的，可以延長電源的使用壽命。對于交通運輸等大型應用，實施額外的硬件來回收廢熱可以將整體系統效率提高百分之一（< 10%）。在這里，商業案例是車輛的數量和將熱量轉化為工作而不是將其釋放到大氣中的凈正面環境效益。

對于電子產品，類似的低能量轉換效率 (10%) 阻礙了能量收集器在低功率應用中的適用范圍。超低功耗 MCU 的功率貢獻限制了能量收集可以替代的電池大小，大約為 1-1,000 μW/cm 2。盡管如此，提高電子能量收集的能量轉換效率的技術挑戰仍然可以提高設備的性能，并通過顯著提高效率來延長或更換電池壽命。

必須區分最大功率和最大效率。雖然提高轉換效率會增加相同輸入能量的功率，但這種情況不一定與最高功率一致。以下是一些優化典型超低功耗 MCU 能量收集器以實現最高效率的方法。

太陽能效率

適用于電子可再生能源收集的應用包括可穿戴技術和離網無線傳感器網絡。盡管這些用例的能量收集效率不是很高，但關鍵指標是比較技術的功率貢獻與電池的成本平衡。考慮到自供電設備，三個太陽能收集領域是電池、空間和模塊效率。

電池效率是指根據其預期的太陽能負載設計尺寸以產生超過給定光伏電池的最高瓦數的單個電池。工程師優化功率輸出與單位面積的比率以提高效率。第三個領域是模塊效率，在效率計算中考慮了整個系統。提高太陽能收集效率的最有效方法是針對電池級別。使用先進的光伏材料可最大限度地提高電池效率。雖然提高系統效率有時會與預算限制發生沖突，但工程師可以定位更高效的電池材料以實現更高的功率差異，從而在給定的功率條件下產生最佳效率。

運動效率

壓電材料的極限強度限制了它可以處理的加速度。該水平定義了材料的功率密度并確定了功率輸出的上限。最大功率輸出出現在材料的共振頻率處。

接下來，為了優化能量收集效率，必須注意效率和功率輸出都與頻率密切相關。由于材料決定了輸出功率水平，基頻指導著壓電元件的設計。將壓電能量收集解決方案調整到其共振頻率可最大限度地減少可用于重新捕獲的能量的破壞性波干擾，從而最大限度地提高功率輸出和效率。

熱效率

塞貝克效應——將熱量直接轉化為電能——是熱電能量收集的指導原則。熱力學表明，在高溫差條件下，熱電能量收集效率最高。該梯度是能量傳輸的驅動潛力，可實現高功率密度解決方案。然而，特別是在人體接觸能量收集器中，實現顯著的溫差 (ΔT) 是不切實際的。

如果 ΔT 不能提供高效的能量收集，功率轉換和熱導率是其他可以提高效率的杠桿。較厚的材料傳輸更多的能量（傳導），而低損耗的能量轉換減少了將一種形式的能量轉換為另一種形式的能量時普遍存在的低效率。

帶走

能量收集是在低功耗應用中消除電池的關鍵一步。為了確保商業上可行的景觀，您應該最大限度地提高收集過程的效率，以盡可能多地從能源中提取有用的功。

當前的超低功耗 (ULP) MCU 能量收集解決方案可實現約 10% 的效率。這種低效的能量轉換使得能量回收對于每平方厘米幾十微瓦的 ULP 用例來說是可行的。您對每種傳統電子能量收集方法如何回收能量的了解有助于您了解該方法完全淘汰應用程序電池的可能性。

Adam Kimmel 作為執業工程師、研發經理和工程內容撰寫人擁有近 20 年的經驗。他在垂直市場（包括汽車、工業/制造、技術和電子）中創建白皮書、網站副本、案例研究和博客文章。Adam 擁有化學和機械工程學位，是工程和技術內容寫作公司 ASK Consulting Solutions, LLC 的創始人和負責人。

審核編輯黃宇