用于自供能传感器的环境能量源研究

代显智， 张 章

（西华师范大学物理与电子信息学院，四川南充637000）

随着无线传感器网络高速发展，无线传感器网络得到了广泛的应用。大多数的无线传感器都通过电池供给能量，但无线传感器体积微小，自身携带的电池能量有限，不能满足长期工作需要。如有些传感器可能放在很远的地方，或用于野生动物跟踪的全球定位装置。当这些装置的电量用完后，需要被找回重新换上电池，这是非常昂贵甚至不可能完成的任务。为此，研究人员提出采用自供能技术克服电池寿命短的问题。自供能又称为能量采集，它将环境中其它形式的能量（如光、热、振动等）转化为电能，为电子设备提供能量，可使电子设备获得永不枯竭的能量。虽然从环境中采集的能量通常比较小，但许多微功耗产品的能耗己降到微瓦至毫瓦的水平[1]。这使得采集环境能量为微电子设备提供电能成为可能。环境中能量采集的来源包括：太阳能、振动能、人体能、热能（温差）、噪声等多种能源[2]。环境中不同能量源提供的最大功率密度不同，要实现传感器的自供电，与环境能量源密切相关，只有选择所在环境中充足的能量源，才能使传感器获得足够的能量。我们对环境中常见能量源（太阳能、振动能、人体能、热能、噪声能）的转换原理、特点、研究现状进行了介绍，并归纳了各自的优缺点，为自供能传感器的能量源选择提供一定的参考。

1 太阳能能量采集

太阳能是目前最具有吸引力的能源，通过太阳电池可以直接将太阳能转化为电能。太阳电池是利用半导体PN结的光生伏特效应将太阳能直接转换为电能，其工作原理为：当光照射在半导体上时，半导体内的自由电子和空穴产生漂移，分别聚集在两端电极上，产生光生电动势，外接上负载，就可产生光生电流[3]。

将太阳能直接转换为电能首先由Edmund Becquerel在1839年发现。但直到1954年Bell实验室才研制出太阳电池。随着卫星通讯的蓬勃发展，以及科学试验卫星、宇宙飞船、空间站的频繁升空，推动了太阳电池的发展。1958年美国首先将太阳电池用于卫星供电。在70年代以前，太阳电池效率低，售价昂贵，主要应用在空间探索中。70年代以后，随着对太阳电池的材料、结构、工艺的深入研究，在效率和成本方面取得了较大的进展，发展了很多种类的太阳电池，如多晶、单晶、非晶硅电池以及薄膜电池等等[4]。单晶硅电池光电转换效率最高，实验室里获得的最高转换效率为24.7%，工业规模生产的转换效率为17.5%；多晶硅电池在实验室获得的最高转换效率为19.8%，工业规模生产的转换效率为13.4%～14.8%；非晶硅电池在实验室获得的最高转换效率为14.5%，工业规模生产的转换效率为10%[3]。

利用太阳电池可以产生微瓦至千瓦量级的电能输出，已应用于PDA、卫星、照明、加热器、MEMS静电执行器等设备中[4]，但是，太阳电池的光电转化受到光照条件的限制，在无光或光线暗淡的情况下就很不理想。在中午阳光直射时，地球表面太阳辐射的功率密度大约为100 mW/cm2。在室外阴天，太阳辐射功率密度只有150 μW/cm2，而在正常办公照明条件下，只有6 μW/cm2。如果用电设备主要在室外和白天工作，太阳电池可为这些设备提供一个很好而且技术成熟的能量解决办法。但对于那些工作在室内或无光环境中的用电设备，太阳电池无法为这些设备提供足够的电能。

2 振动能量采集

振动能是环境中普遍存在的一种能源，广泛存在于桥梁、楼宇、船舶、车辆、机床、飞行器、家用电器（冰箱、洗衣机、微波炉）等各种生产和生活设备中，也存在于人体的血液流动、心脏跳动、肢体运动等生命过程中。Shad Round对多种振动源进行了测试，测试表明大多数振动源的振动频率低于200 Hz，加速度在 0.1～12m/s2[5]。Shad Round 研究还表明环境中的振动具有较高的比功率，在120 Hz、2.25m/s2加速度振动下，比功率达到200 μW/cm3[5]。因此对振动能进行采集为无线传感网络、嵌入式系统等低功耗设备供电有着广泛的应用前景。例如，南安普顿大学设计的振动能量采集器成功采集了办公室空调调节器的振动能量，为无线加速度传感器提供了充足的能量[6]；Perpetuum公司生产的振动能量采集器己成功应用在火车车轮的轴承监测上；Ferro Solutions公司的振动能量采集器己应用于美国海军的轮船和潜艇的健康监测中。

将振动转换为电能的方式有：电磁方式、静电方式、压电方式、磁电方式[7]。电磁方式是利用电磁感应原理来发电。静电方式是利用两个带电极板相对运动来发电。压电方式是利用压电效应发电。磁电方式是利用磁致伸缩/压电层合材料的磁电效应发电，即：能量采集器将振动转化为磁场的变化，在变化磁场的作用下，磁致伸缩层产生机械应变，机械应变传递到压电层产生电输出[8]。

1995年英国谢菲尔大学Williams等人首先建立了振动转化为电能的通用模型，并于1997年设计制作了一台微电磁式微发电机，在4.4 kHz激励频率下能产生0.3 μW的功率。2001年南安普顿大学EI-Hami等人设计的电磁式振动能量采集器，在320 Hz、25 μm振幅下能产生0.53 mW的功率，在振幅较大时能获得超过1 mW的功率。2002年美国伯克利大学Shad Roundy等人对三种类型的静电式振动能量采集器进行了研究[5]，他们的理论结果表明在120 Hz、2.25m/s2的振动条件下，静电采集器最大能产生116 μW/cm3的比功率。2003年Huang J K提出了电磁式振动能量采集器[8]，他们制作的原型在30 Hz、0.5g(1g=9.8m/s2)的加速度下能产生1.2 mW的功率，换能器的比功率达到10 mW/cm3。2003年Shad Roundy等人[9]制作的压电悬臂梁采集器在120 Hz、2.5m/s2加速度激励下，输出功率达到375 μW(相应的比功率为375 μW/cm3)，能为1.9 GHz的无线射频发射器提供足够的能量[5]。2004年南安普顿大学Glynne-Jones等人设计的磁电式振动采集器，安装在小汽车的引擎上，在1.24 km的路程中获得了157 μW的平均功率，其中最大瞬时功率达到4 mW[10]。2005年Fabio Peano等人对驻极体MEMS静电振动能量采集器进行了优化设计[11]，通过模拟计算，采集器在911 Hz、5 μm振幅下，能输出50 μW的功率。2007年英国布里斯托尔大学Burrow等人设计了一个非线性电磁振动能量采集器[12]，该采集器具有10 Hz的带宽，在32 Hz、约43.4m/s2的振动下，采集器能输出120 mW的功率。2008年爱尔兰科克大学Saha提出了一种磁悬浮的电磁振动能量采集器，用于采集人行走时的能量[13]，样机在人行走时产生了0.95 mW的平均功率；慢跑时平均功率达2.46 mW。2009年重庆大学研究团队提出了基于悬臂梁结构的磁电式振动能量采集器，并对同一磁路中放置单个和多个换能器的采集器进行了研究，在0.5、1、2.5g的加速度下获得0.66、2.82、7.13 mW的输出功率，最大比功率达到1.1 mW/cm3[14]。

3 人体能量采集

人体能量是一个非常有吸引力的能量源。因为人在运动或静止时，都在不断地耗散能量。人体能量可分为主动能和被动能。人体主动能是指为了获得电能而要求人做出某种特定运动产生的能量。现在市场上已有这类产品，包括自供能无线收音机、自供能手电筒、自供能手机充电器[15]。这些装置一般采用转动曲柄或摇动方式来提供能量。人体被动能是指人在做日常工作、体育运动、行走、休息时产生的能量。人体被动能主要表现形式为：运动产生的机械能和体温散发的热能。与人体主动能相比，它不需要人做出专门的运动来维持，解决了能源维持的问题。因此，人体被动能受到了许多研究者的关注。

1996年Starner对人体可提供的能量进行了研究[16]。研究表明一个人每天要耗散10.5 MJ的能量，这相当于人体平均要耗散121 W的功率。Starner还详细分析了人体中最具有潜力的能量源，并给出了这些能量源可提供的最大电功率（见表1）。这些能量源包括：呼吸、体温、血液流动、手臂活动、打字和行走。其中，行走和体温产生的电功率最大，可从行走中可获得5～8.3 W的功率，从体温中可获得2.4～4.8 W的功率。另外，血压产生的功率达到0.37 W，如果能利用到2%的功率，可为微型医疗传感器提供足够的能量。

由于人行走时产生的能量最大，大部分的研究集中在人行走时的能量采集上。采集人行走能量的方法有：压电鞋垫[17]、旋转电磁发电机[17]、线性电磁发电机、利用液体压力耦合到压电材料的发电机等。1998年MIT实验室的Joe Par-adiso等人制作了放于运动鞋中的压电鞋垫[17]，压电鞋垫在脚趾部能产生1.3 mW的功率，在脚后跟部能产生8.3 mW的功率。2001年MIT实验室Shenck等人制作了另一种电磁式能量采集器[17]，采集器嵌入在运动鞋底，有一旋转臂从鞋中延伸出来，人行走时，踩压旋转臂使其产生转动，驱动两个直流电磁发电机产生电输出，当每秒行走两步时，采集器能输出58.1 mW的功率。

人体能量另一种潜力能源是人体散发的热能。人体散发的热能可利用热电效应将其转化为电能。1997年Stark等人对人体热能采集进行了研究，他们的热能采集装置在10℃温差下能获得15 μW/cm2的功率密度[18]。目前Thermo Life Energy公司研制的人体热能采集器的输出功率最大，在5℃的温差下能产生28 μW的功率，在10℃的温差下能产生135 μW的功率。

虽然从人体能量中可获得超过毫瓦的功率，但人体能量不能直接用于远程无线传感器中，仅适合用于人体可穿戴电子设备和便携式设备中[16]，这就限制了人体能量采集的应用范围。

4 热能能量采集

热能是自然界普遍存在的另一种能源，利用温度的变化也可实现能量采集。环境中可利用的热能来源有：人和动物的体热，机械运动产生的磨擦热，以及地热等等。环境中的热能可利用热电材料的Seebeck效应直接转化为电能。Seebeck效应是将两种不同类型的热电材料N端和P端相连接，然后将这两端置于不同温度环境中，由于热激发的作用，高温端将产生比低温端高的电子和空穴浓度，在浓度梯度的作用下，电子和空穴向低温端扩散，在低温开路端形成电势差。如果将许多N型和P型热电材料对连接成一个大的模块，就能够产生足够高的电压，形成温差发电机。温差发电机的转换效率可利用卡诺效率来计算：η=(TH-TL)/TH=ΔT/，式中，TH和 TL分别为温差发电机的高低温度端的绝对温度，ΔT为温差。通常环境中的温差较小，所以卡诺效率不高。如人体温度为37℃，在20℃房间中的温差为17℃，卡诺效率仅为5.5%；如果人体与外界温差只有5℃的话，此时的卡诺效率只有1.6%。由于现有热电材料的转换效率不高，在5～20℃的温差内，实际热电材料转换效率为0.2%～0.8%[18]。

一些研究者己对温差发电机进行了研究。1997年Strodeur和Stark研制的微型温差发电机在10℃温差下产生的功率密度为15 μW/cm2[18]。Applied Digital Solutions公司推出的商用温差发电机[2]，外形像一个纽扣电池，其底面积为0.5 cm2，厚1.6 mm，在10℃温差下能产生1 V电压和40 μW的功率。2007年，西北太平洋国家实验室研制了一款能采集低温差的热电发电机[2]。他们的发电机采用独特的方式集成了许多微小的热电偶，能采集温差在2℃以上的热能。该发电机可采集到几微瓦到几百毫瓦的功率（依赖于温差以及发电机的数量和大小），具有较广的应用范围，可用来采集地面与空气、水和空气、皮肤和空气间的温度梯度能。

虽然利用热电材料实现热能采集的装置有许多优点：无机械运动部件，无振动和噪声，使用寿命长，体积小质量轻，易于实现和其它电子和光电器件集成，但是环境中的温差不大，且温差发电机的效率低，热电转化功率密度不高，小于60 μW/cm2[19]。

5 声能能量采集

大多数的声能采集器利用赫姆霍茨谐振器来采集声能。声能采集器的原理，如图1所示。声能采集器将赫姆霍茨谐振器的背板换成一压电膜片，当声音从小孔处进入空腔后，激励腔体中的气体（通常是空气），使气体分子对压电膜片产生机械压力，压电膜片将这个压力转化成电能，实现声能到电能的转换。

2003年Round对声能比功率进行了研究，研究表明在75 dB声强下，声能比功率为0.003 μW/cm3，在100 dB声强下，声能比功率为0.96 μW/cm3。声能的比功率远低于太阳能和振动的比功率，所以声能能量采集的研究较少。2005年佛罗里达大学Stephen等人提出了一种MEMS的声能能量采集器，其原理与图1所示原理相同，在149 dB的声强下获得了0.34 μW/cm2的功率密度。他们预计随着制造水平的提高，在149 dB的声强下可获得250μW/cm2的功率密度。2006年佛罗里达大学Kadirvel等人也研究了另一种利用赫姆霍茨谐振器的声能量采集器[20]，在频率为2.748 kHz、声强为159 dB的正弦声激励下，能产生36 mW的功率。虽然他们获得了毫瓦级的功率，但是他们采用的声强非常大，在自然环境中几乎不存在，这样的声强可使人的耳膜破裂，因为人耳能承受的声强小于140 dB。

6 总结

为了便于比较，将环境中各种能量源功率密度列于表2中。由表2可以看出，太阳能、人体能量、振动能都具有较高的功率密度，环境温度梯度次之，噪声的功率密度最小。从本文的介绍可看出：太阳能适用于室外、白天工作的用电设备，对于那些工作在室内或无光环境中的用电设备，太阳电池无法为这些设备提供足够的电能。人体能量也具有较高的功率密度，但它仅适合用于人体可穿戴电子设备和便携式设备中，限制了人体能量的应用范围。振动能适用于振动场合的用电设备，在无振动的环境中无法提供充足的能量，但在自然环境中，振动普遍存在，所以它是一种很有潜力的能量源。由于环境中的温差较小，且热电转换效率较低，环境中热能的应用前景不如前三种能量源乐观。环境中声能的功率密度太小，其实际应用意义不大。可见，每一种能量源都有其优缺点，自供能传感器选择能量源时，要根据所应用的环境来选择，也可同时采集环境中的多种能量源，提高传感器对环境的适应力。但随着自供能技术和微机电系统的发展，可预计自供电技术提供的能量将成为无线传感器、各种移动设备、小型电子设备的主要能量源，必将对今后许多电子系统应用产生深远的影响。

表2 环境中能量源的供能密度

[1]RABAEY J M，AMMER M J，DA SILVA J L，et al.Picoradio supports ad hoc ultra low-power wireless networking[J].IEEE Computer，2000，33(7)：42-48.

[2]YILDIZ F.Potential ambient energy-harvesting sources and techniques[J].Journal of Technology Studies，2009，35(1)：40-48.

[3]杨基南.太阳电池产业的现状和发展[J].微细加工技术，2005，2：1-4.

[4]CHOPRA1 K L，PAULSON P D，DUTTA V.Thin-film solar cells:an overview[J].Progress in Photovoltaics:Research and Applications，2004，12：69-92.

[5]ROUNDY S.Energy scavenging for wireless sensor nodes with a focus on vibration to electricity conversion[D].California:University of California at Berkeley，2003.

[6]TORAH R，GLYNNE-JONES P，TUDOR M，et al.Self-powered autonomous wireless sensor node using vibration energy harvesting[J].Measurement Science and Technology，2008，19：125-202.

[7]BEEBY S P，TUDOR M J，WHITE N M.Energy harvesting vibration sources for microsystems applications[J].Measurement Science and Technology，2006，17：R175-R195.

[8]HUANG J K，O'HANDLEY R C,BONO D.New,high-sensitivity，hybrid magnetostrictive/electroactive magnetic field sensors[C]//Proceedings of SPIE:Smart Structures and Materials，California：Proceedings of SPIE:Smart Structures and Materials，2003,5050：229-237.

[9]ROUNDY S，WRIGHT P K，RABAEY J.A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes[J].Computer Communications，2003，26：1131-1144.

[10]GLYNNE-JONES P,BEEBY S P,WHITE N M.The modelling of a piezoelectric vibration poweredgenerator for Microsystems[C]//Proceedings of the 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators,Munich：Proceedings of the 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators，2001:46-49.

[11]PEANO F，TAMBOSSO T.Design and optimization of a MEMS electret-based capacitive energy scavenger[J].Journal of Microelectromechanical Systems，2005，14(3)：429-435.

[12]BURROW S G,CLARE L R.A resonantgenerator with non-Linear compliance for energy harvesting in high vibrational environments[C]//Proceedings of the 2007 IEEE International Electric Machines&Drives Conference，Antalya：Proceedings of the 2007 IEEE International Electric Machines&Drives Conference，2007：715-720.

[13]SAHA C R,O'DONNELL T,WANG N,et al.Electromagneticgenerator for harvesting energy from human motion[J].Sensors and Actuators A,2008，147：248-253.

[14]DAI X Z,WEN Y M,LI P,et al.Energy harvesting from mechanical vibrations using multiple magnetostrictive/piezoelectric composite transducers[J].Sensors and Actuators A，2011，166(1)：94-101.

[15]MATEU L，MOLL F.Review of energy harvesting techniques and applications for microelectronics[C]//Proceedings of the SPIE:The International Society for Optical Engineering,Sevilla:Proceedings of the SPIE:The International Society for Optical Engineering，2005：359-373.

[16]STARNER T，PARADISO J A.Human-generated power for mobile electronics[C]//Proceedings of the 2004 International Symposium on Low Power Electronics and Design,California：Proceedings of the 2004 International Symposium on Low Power Electronics and Design，2004：1-35.

[17]SHENCK N S，PARADISO J A.Energy scavenging with shoemounted piezoelectrics[J].IEEE Micro，2001，21(3)：30-42.

[18]STARK I.Thermal energy harvesting with thermo life[C]//Proceedings of the International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks,Cambridge：Proceedings of the International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks，2006：19-22.

[19]ROUNDY S，STEINGART D，FRECHETTE L，et al.Power sources for wireless sensor networks[C]//Proceedings of the First European Conference on Wireless Sensor Networks，Berlin：Proceedings of the First European Conference on Wireless Sensor Networks，2004：302-743.

[20]LIU F，PHIPPS A，HOROWITZ S，et al.Acoustic energy harvesting using an electromechanical Helmholtz resonator[J]. Journal Acoustical Society of America，2008，123(4)：1983-1990.