发布：2018年11月
能量采集的世界
通过实现使用时间超出电子系统寿命周期的供电系统，压电能量采集器件为物联网的应用打开了大门。从无线微传感器网络、可穿戴医疗电子设备到工业及家庭自动化传感器和电子货架标签，采用压电能量采集器件后免除更换电池或者布线的成本，使其可以在曾经不能到达的地方使用。例如，高压电线上的警示灯、埋入桥梁的振动监测传感器、广阔农场里的温度/湿度传感器、植入人体的心脏起搏器。
压电能量采集的原理
“压电”这个词来源于希腊语中的压力。1880年雅克和皮埃尔居里发现压力加在如石英和电气石等晶体上时会产生许多电荷，他们称这种现象为“压电效应”。 后来他们注意到电场的存在会使压电材料形变，他们称这种效应为“逆压电效应”。如今，压电效应被用于许多产品中，例如，监测汽车发动机状况的爆震传感器、测量天然气流量的流量传感器、用于生物制药的纳米级位移平台以及控制内燃机发动机燃料流量的压电喷射阀。 “能量收集”是指从诸如环境温度，振动或气流的来源产生能量。转换来自环境的可用能量允许为诸如传感器或无线电发射器的小电负载提供自给自足的能量供应。“压电能量采集“是指利用压电材料转换环境中的机械能，典型的能量来源包括，风能、机械装置/汽车/火车/直升机的振动能以及潮汐能。
能量需求
众所周知，无线传感器网络面临的主要问题之一是能量。当传感器节点的能量耗尽时，除非更换能量源或引入一些收集机制以填充能隙，否则它将不再在网络中发挥其作用。传感器节点使用的主要现有能源是电池电源，但是许多问题与电池有关。首先，即使不使用也会消耗电池的电流泄漏。其次，极端天气条件可能会破坏电池，导致化学品泄漏，从而导致各种环境问题。最后，电池的能量密度有限，这可能会阻碍传感器节点长时间运行。有许多无线传感器网络应用场景，其中传感器节点的生命周期根据应用要求从几个月到几年不等。因此，传感器节点的寿命必须在电池耗尽之前几年结束，并且由于缺乏电源而变得空闲。为了在大多数情况下不间断工作，传感器节点需要连续电源，无论该电源处于活动模式以传输和处理数据，还是当传感器节点进入休眠状态时处于非活动模式。
通常，少数节点的故障对于无线传感器网络的正常运行不是一个重要问题，但是这些节点的丢失肯定会影响性能和开销。 最终，网络无法克服节点丢失或满足应用程序所需的要求。 随着时间的推移，连接的节点将消耗存储在存储元件中的能量。 传感器节点的传感器，处理，通信和数据传输频率极大地影响电池的寿命。 所有这些因素都鼓励在无线传感器网络中使用能量收集。 无线传感器网络应该是自我供电，持久且几乎免维护。
能量来源
根据不同的能量来源，可将商用能量转换器分为如下四类：
1）光：太阳能电池由 p-n 晶体阵列组成，利用光伏效应工作。
2）热：利用热电组件采集环境热能。
3）无线电波：无线电波能量采集方法使用定向解决方案时较为有效，但在使用环境能量时现实实现并无太多有用的功率。
4）振动：振动能量采集器通过电磁或者压电方法利用振动机械能，从而产生电能
基于太阳能的能源收集鉴于其丰富的环境，太阳能是一种经济实惠且清洁的能源，可以消除无线传感器网络中即将出现的能源问题。由于夜间太阳能收集系统的局限性，开发商必须确保在白天达到最高效率，以保证太阳能的可行性。通常，太阳能收集在室外环境中更为合适。太阳能系统可根据表面产生从μW到MW的输出太阳能电池的面积和照明量。在[63]中，作者报道了不同太阳能电池在不同光照水平下的效率。对于500 W /m2的典型室外（明亮和阳光）照度水平，多晶硅和非晶硅电池的效率分别从大约15％到25％不等。
热电采集器具有长寿命，静止部件和高度可靠的特性。然而，热收获的低效率（5-6％）是其广泛采用的主要障碍。最近，随着新型热电材料和高效模块的发展，已经实现了超过10％的效率。对于700 mm2器件在5K的温差下，热电器件的功率密度分别为0~14μW/mm2 。
无线电波（RF）能量收集可以在室内和室外用于许多无线传感器网络应用。应用包括农业监测，智能家居，结构健康监测，位置跟踪和环境监测。对于室内应用，射频能量收集具有更大的潜力，因为内部通常具有低光条件或没有光，使得太阳能收集方法不可靠。同样，室内也不太可能有热梯度和振动。因此，RF能量收集是室内无线传感器网络应用的合适选择。射频识别（RFID）标签可被视为市场上可用的非常基本的RF能量收集解决方案。在无源RFID系统中，RFID读取器发送RF信号以查询RFID标签，并且标签通过从环形天线的电感供电自身来响应其识别。
