能量採集(energy harvesting)是指從環境或系統本身，收集為電子裝置供電所需的能量；更具體地說，熱能採集是將收集自發熱源的熱能，轉化為電能。

熱能採集的好處包括：

• 可望免除配備電池，這對於可攜式裝置和低功耗應用來說尤其重要。
• 可望打造自給自足(從能源角度來看) 的物聯網裝置；這對開發不必利用充電電池即可連續運作的獨立、行動裝置至關重要。透過降低維護和電池更換的需求，熱能採集可支援應用於偏遠地區或大都會基礎建設中不易觸及的智慧感測裝置。
• 可望為醫療和消費性應用帶來打造全新可穿戴解決方案的機會。
• 發展綠色能源技術，以減少石化燃料的使用與降低溫室氣體排放量。

應用

能量採集技術可用於為各種感測器和電子裝置提供自主可再生能源，使其能夠利用溫差產生能量。利用效率越來越高的元件，將為充分利用熱能採集的新解決方案鋪路。

在可穿戴系統中，用於熱能採集技術的一個有趣方法是利用熱能來產生一些小電流，這實際上利用的是人體溫度和環境溫度之間的溫度差。無論是在自然環境還是人工環境中，到處都存在溫度差。利用這些溫差或梯度都可以產生熱電能。

熱能

根據能量守恆的物理定律，能量可能會從某種形式轉變為另一種形式；因此從各種環境能源中取得能量是有可能的。

在人們生活周圍的環境中，充滿了溫度和熱量的變化。引擎廢氣產生的熱、土壤產生的地熱、鋼鐵廠冷卻水產生的熱，以及其他工業運轉都是典型案例。利用熱電產生器(TEG)和其他一些電子裝置，就可以把熱能轉化為電能，還可以將之保留於儲存裝置中。TEG的基本原理是將熱流(由溫差引起)轉換為電能，非常適合體積通常非常小、沒有移動零件(固態)的低功耗嵌入式裝置。

塞貝克效應

塞貝克效應(Seebeck effect，EETT編按：又稱熱電效應)是在某種材料兩側之間存在溫度梯度時，電壓因此產生的過程。TEG的基本元件是p-n接面(junction)，由熱電材料P型半導體和N型半導體的單結構組成，每個結構電氣串聯連接，並摻雜硼(P型半導體)和磷(N型半導體)等雜質。

圖1：TEG本質上就是一個具有冷(c)熱(h)兩個表面的珀爾帖電池(Peltier cell)。

(來源：Power Electronics News)

TEG模組的基本功能區塊是幾個串聯的p-n對，p-n對在此配置中平行排列，以產生與溫度梯度成比例的電壓。要正常運作，設備的熱(Th)側和冷(Tc)側必須處於不同的溫度。熱電材料的性能──由熱電優值(thermoelectric figure of merit) ZT測得──透過以下公式計算：

公式中，S是塞貝克係數，ρ是電阻率，λ是導熱係數，而T是測量熱電性能的溫度。ZT是在給定溫度梯度下可產生的電能量：材料的ZT值越高，熱電性能越好。透過增加功率因數PF (PF=S2÷ρ)，或降低熱導率λ(λ=λe+λph)──λe和λph分別表示電子和聲子(phononic)貢獻──都可以提高既定材料的熱電性能。

塞貝克係數、電阻率和熱導係數是決定熱過程效率的三個因素。這三個既不同卻又相互依存的物理特性，共同建構卓越性能。因此，很難或不可能在不損害另一個的情況下，改進其中任何一個。唯一可以自由調節而不會對其他量產生影響的量是λph(T)；因此，縮小尺寸是提高整體效率最有效的策略。

材料

以電池為基礎的解決方案每天都在變得更有效率也更小，對於一些低功耗應用，如物聯網感測器，再進一步提高電池壽命已不太可能。因此，這些裝置將從能量採集技術中受益匪淺。對能量採集的興趣引發了互補技術的發展，包括皮瓦(picowatt)等級超低功率微電子元件和超級冷凝器(supercondenser)。

一種優異的熱電材料必須具有較強的塞貝克效應，導電性能應該盡可能地好，而導熱特性則應該盡可能地差。但很難找到一種符合所有這些要求的材料，因為導電性和導熱性通常是齊頭並進的。

研究人員最近成功開發了一種ZT值在5~6之間的新型材料，由鐵、釩、鎢和鋁的薄層組成，可應用於矽晶體，可望為感測器電源產業帶來革命性的變化，使感測器能夠從環境中自行發電。根據可用的溫度梯度，TEG每平方公分可產生20μW~10mW的功率。

設計技巧

目前市場上已有幾款適用熱能採集的積體電路，包括TI的BQ25570，能夠從TEG中提取微瓦到毫瓦級的功率，還有比利時業者e-peas的AEM10941，以及ADI和Renesas的其他IC。BQ25570整合了電源管理系統，透過使用雙電路來提高電壓，同時防止電池過充或爆炸。所收集的能量則可以儲存在可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級電容器或傳統電容器中。

超級電容器是能量採集被有效應用的技術前提，它們是具有極高容量的電容器，同時具有電解電容器和可充電電池的功能特性。然而，它們每單位體積或質量的能量儲存量，比電解電容器多10倍、甚至是100倍，電荷累積速度遠高於充電電池的典型速度，充放電循環次數也比可充電電池更多。

當TEG板之間存在足夠的溫差，從而在其端子上產生電壓時，熱點轉換程序就會開始。BQ25570包括一個升壓充電器和一個奈米功率降壓轉換器(參考圖2)，可以提取功率，功率大小根據溫差而變化，從μW到mW級不等。由於內建升壓轉換器，輸出電壓隨後被升壓到3.3V，效率可達93%。

圖2：BQ25570超低功率採集器PMIC電路圖。

(來源：TI)

有兩種方法可以儲存能量採集來的電力：使用電容器或電池來儲存電荷。當使用傳統電容器或超級電容器時，有一些指南可幫助設計工程師做選擇：

• 選擇低ESR (<200mΩ)的電容。
• 1.2V時的洩漏電流必須小於1μA。
• 大型電容器充電較慢，但可以儲存大量電荷；另一方面，小型電容充電非常快，增加了啟動時間。

取決於應用，電容值可透過以下公式求得：

C = 15 × V_OUT × I_OUT × T_ON

其中，V_OUT是能量採集感測器的輸出電壓，I_OUT是來自能量採集感測器的平均輸出電流，T_ON是IC接通時間。如果感測器無法提供足夠電力，儲存電容器能讓系統維持一定時間。

熱電能量採集器的功率調節也非常重要，即使以最大功率運作，熱電產生器的輸出電壓也很小，因為它的電壓很低。當能量採集器為電池充電時，電源調節電路會保護電池避免過充。同樣，當溫度變化時，功率調節用於穩定輸出電壓。

透過許多因素，包括輸入阻抗、功率控制和濾波，調節電路在能量採集系統中扮演關鍵角色。換能器(無論是熱、太陽光電還是振動發電源)、電源調節電路、微控制器和儲存裝置(超級電容器)都是不可或缺的零組件。

(參考原文：New Thermoelectric Material Has Huge IoT Potential，by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年12月號

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