「能量採集」(energy harvesting)讓我們得以採集、保存以及使用電能,一直是備受關注的熱門話題。這種結合了換能器、能量採集電路、電源管理IC、能量儲存單元(電池或超級電容)以及無線鏈路的組合,全部都是以微小的功率在運作,也說明這種方法能夠有效地建置自供電且長效的資料擷取、監測、記錄與報告系統。

除了在其所標榜的許多(但並非全部)應用中極具實用性,能量採集還擁有讓人「不勞而獲」(something for nothing)的吸引力——其實這種說法有一點誇大其詞。現實情況是,打造可行的能量採集解決方案需要大量且周詳的計劃、工作和元件。

當然,我們可以將它視為一項新的開發專案,現代的複雜設計都是如此。但是,能量採集的基本概念並不是什麼新鮮事,一點也不是。(請注意,儘管風車和水渦輪已經存在數百年了,但本文並不論及這些非電力採集系統。)

當我們必須更換標準的天然瓦斯熱水器時,更加清楚地瞭解這一點。當然,按照規定、法規和安全要求,必須要請水電工到家中安裝瓦斯管和水管,這畢竟不是做到「差不多對」就可以被接受的情況。因此,我本來也打算請水電工來幫忙,但是當我檢查熱水器時才發現,它根本就沒有外部的電氣連接——不但沒有交流電(AC)線路,也沒有透過變壓器的低壓連接。它採用的是一個電動的電磁閥,根據開關的閉合來控制瓦斯流量。但是,如果電源沒有連接到熱水器,那麼這個電磁閥究竟靠什麼來供電?

答案很簡單:儘管我們通常將熱電偶視為溫度感測換能器,但它長久以來也一直用於作為能量採集換能器和電源。在熱水器中,熱電偶就位於其常亮指示燈中,能夠適時產生足夠功率來滿足氣閥的需求,請參見圖1。

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圖1:瓦斯熱水器示意圖顯示底部的熱電偶組裝,其輸出可啟動或關閉瓦斯氣閥。
(來源:All Trades Las Vegas)

這也是一種故障保護方法:如果指示燈熄滅或熱電偶發生故障,電磁閥就無法通電,導致閥門持續關閉狀態,而無法讓瓦斯流通。其實,許多太空船中就採用了一種與此原理類似的能量產生技術來產生幾百瓦功率,儘管其效率較低,但它利用周圍的熱電偶陣列擷取鈽元素放射衰變的熱能。

當然,這種建置方式比起熱電偶和熱水器更新更複雜得多了,但其基本概念是相同的:採用熱電偶作為能量採集的換能器,而非僅將其用於溫度測量感測器。從更世俗的角度來看,您也可以用帶有嵌入式熱電偶陣列的野炊爐具,其所產生的功率已足以啟動小型氣流產生風扇或為USB充電埠供電。

還有一種百年來讓電子工程師愛不釋手的能量採集設計:經典的晶體收音機。這種晶體收音機僅由天線、調諧線圈、二極體、電容器和頭戴式耳機組成,無需使用電池即可擷取並解調AM廣播。接收到的訊號本身提供了驅動頭戴式耳機的功率,還有耳機必須是高阻抗的敏感裝置。

對於任何想體驗手作、打造令人讚歎的新手工程師來說,晶體收音機一直是絕佳的設計專案;而且,還可以在網路上找到大量的原理圖或參考資源,請參見圖2。(當然,AM收音機如今已成「昨日黃花」,但 FM可是一點都沒過時,但這不是本文的重點。晶體收音機儘管存在侷限,但其自供電接收機在早期廣播電台盛行時曾經是一項了不起的創新。)

您還知道哪些能量採集應用不需要採用先進晶片?或甚至是在我們的晶片時代開始之前即已存在的能量採集應用?

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圖2:自供電的晶體收音機採用解調的接收訊號(經由「封包檢測器」來實現)功率,足以驅動高阻抗的頭戴式耳機。
(來源:Dave’s Homemade Crystal Radio via Pinterest)

編譯:Susan Hong

(參考原文:Energy Harvesting: Not as New as We Think,by Bill Schweber)