Human energy harvesting/zh

人体能量收集是指利用人体作为主要能量来源来产生和储存能量（通常以电能的形式）的系统。^{[ 1 ]}人体能量采集系统通常是小型无线自主设备，例如穿戴式电子设备和无线感测器网络中使用的设备。目前，人体能量采集器产生的能量不足以进行机械功，而是为低功耗电子设备提供少量电力。大规模发电所需的燃料（石油、煤炭等）需要成本，而能量采集器的“燃料”则是天然存在，因此被认为是免费的。例如，内燃机的运作会产生温度梯度；在城市地区，由于无线电和电视广播，环境中也存在大量的电磁能量。

将环境能量转化为电能的能量采集装置在军事和商业领域都引起了广泛关注。一些系统可以将运动（例如海浪的运动）转化为电能，供海洋监测感测器自主运作使用。未来的应用可能包括部署在偏远地区的高功率输出装置（或此类装置阵列），作为大型系统的可靠电源。另一个应用领域是穿戴式电子设备，能量采集装置可以为手机、行动电脑、无线电通讯设备等供电或充电。所有这些装置都必须足够坚固耐用，能够承受长期暴露在恶劣环境中，并且具有广泛的动态灵敏度，以利用整个波浪运动频谱。

能量还可以被收集起来为小型自主感测器供电，例如采用微机电系统（MEMS）技术开发的感测器。这些系统通常非常小巧，耗电量也很低，但由于依赖电池供电，其应用受到限制。从环境振动、风、热或光中收集能量可以使智慧感测器无限期地工作。包括伦敦帝国学院控制与电源组和光学与半导体元件组、IMEC及其合作的霍尔斯特中心^{[ 2 ]} 、麻省理工学院波士顿分校、乔治亚理工学院、加州大学柏克莱分校、南安普敦大学、PMG Perpetuum、新加坡国立大学和哥伦比亚大学在内的多个学术和商业团队参与了振动能量收集技术的分析和开发。^{[ 3 ]}

能量采集装置的典型功率密度高度依赖于特定应用（影响发电机的尺寸）以及采集发电机本身的设计。一般来说，对于运动驱动装置，典型值约为几米用于人体动力应用的 W/cc 和数百种米由机械驱动的发电机的功率（W/cc）。^{[ 4 ]}

实际上，对于穿戴式电子设备的能量收集装置而言，大多数装置只能产生几毫瓦的功率。^{[ 5 ]}

一般来说，能量可以储存在电容器、超级电容器或电池中。电池利用储存的化学能为使用者供电。电容器适用于需要提供巨大能量峰值的应用情境。电池的能量泄漏较少，因此适用于需要提供稳定能量流的设备。

在小型应用（穿戴式电子产品）中，电源遵循以下电路：经过转换（例如透过 AC/DC 到 DC/DC 逆变器）并储存在能量缓冲器（例如电池、电容器等）中后，电源会通过微处理器（配备可选感测器）并传输（通常是无线传输）。

能量收集的历史可以追溯到风车和水车时代。几十年来，人们一直在探索如何储存热能和振动能。推动人们研发新型能量收集装置的一个重要因素是，人们希望无需电池即可为感测器网络和移动设备供电。此外，应对气候变迁和全球暖化也是能量收集发展的重要动力。

许多小型能源通常无法扩大到工业规模：

• 压晶体管或纤维在受到机械形变时会产生微弱电压。引擎的振动可以刺激压电材料，鞋跟的振动也能起到类似的作用。
• 有些腕表本身就利用动能驱动（称为动能表），在这种情况下，动能来自手臂的运动。手臂的运动会带动电磁发电机中的磁铁移动。这种运动会改变磁通量，从而在线圈上产生感应电动势。这个原理其实与法拉第电磁感应定律有密切关系。
• 热电发电机（TEG）由两种不同材料的结以及温度梯度所构成。透过将多个结串联连接，并联连接，可以实现高电压输出。典型的性能为每个结100-200微伏特/摄氏度。这些热电发电机可用于从工业设备、建筑物甚至人体中捕获毫瓦级的能量。它们通常与散热器配合使用，以增强温度梯度。
• 微型风力涡轮机用于收集环境中现成的风能，将其转化为动能，为无线感测器节点等低功耗电子设备供电。当空气流过涡轮叶片时，叶片上方和下方的风速之间会形成净压力差。这将产生升力，进而驱动叶片旋转。这就是所谓的空气动力效应。
• 特殊天线可以收集杂散无线电波的能量，理论上甚至可以收集光（电磁辐射）的能量。^{[需要验证]}

一种可能的能量来源是无所不在的无线电发射器。然而，要从这个能量来源获得有效的功率，要嘛需要很大的接收面积，要嘛需要非常靠近辐射源。

一种方法是故意广播射频能量来为远端设备供电：这在被动式射频识别 (RFID) 系统中很常见，但安全法规和美国联邦通讯委员会（以及世界各地的同等机构）限制了以这种方式传输的最大功率。

生物力学能量采集器也正在研发中。目前的一种型号是马克斯·多内兰（Max Donelan）设计的生物力学能量采集器，它可以绑在膝盖上。^{[ 6 ]}这类设备每个膝盖可以产生2.5瓦的功率，足以供大约5部手机使用。

压电效应可以将机械应变转换为电流或电压。这种应变可以来自多种来源，例如人体运动、低频地震振动和噪音等。除极少数情况外，压电效应通常在交流电下工作，需要时变输入且处于机械共振状态才能有效发挥作用。

大多数压电电源产生的功率在毫瓦级，功率太小，无法应用于系统，但足以满足一些市售自动上炼手表等手持设备的需求。一种方案是将它们用于微型设备，例如用于微型液压能量采集装置。在这个装置中，加压液压油的流动驱动由三个压电元件支撑的往复活塞运动，这些压电元件将压力波动转换为交流电。

压电系统可以将人体运动转化为电能。美国国防高级研究计划局（DARPA）资助了多项研究，旨在利用腿部和手臂运动、鞋子冲击以及血压产生的能量，为植入式或穿戴式感测器提供低功率电源。王忠林博士的奈米刷是压电能量收集器的另一个例子。^{[ 7 ]}它们可以整合到服装中。需要精心设计以最大程度地减少使用者的不适感。这些能量收集器会对人体产生影响。振动能量收集项目^{[ 8 ]}是另一个旨在从环境振动和运动中收集电能的项目。

利用压电材料收集能量已成为一种普遍做法。压电材料能够将机械应变能转换为电荷。压电元件已嵌入人行道^{[ 9 ] [ 10 ]}中，用于回收脚步所产生的“人体能量”。它们也可以嵌入背包^{[ 11 ]}和鞋子^{[ 12 ]}中，用于回收“行走能量”。

热释电效应可以将温度变化转换为电流或电压。它类似于压电效应，后者是另一种铁电行为。与压电效应一样，热释电效应需要时变输入，并且在能量收集应用中功率输出较小。热释电材料相对于热电材料的一个关键优势是，许多热释电材料在高达 1200°C 或更高的温度下仍保持稳定，这使得从高温源收集能量成为可能，从而提高了热力学效率。然而，最近出现了一种不需要时变输入的热释电能量收集装置。这种能量收集装置利用加热的热释电材料的边缘去极化电场将热能转化为机械能，而不是像传统装置那样从连接在晶面上的两块电极板中抽取电流。此外，这种新型热释电热机的各个级可以级联，以提高卡诺效率。^{[ 13 ]}

1821年，托马斯·约翰·塞贝克发现，两种不同导体之间形成的温差会产生电压。热电效应的核心在于，导电材料中的温差会导致热流，进而造成载子的扩散。载子在冷热区域之间的流动会产生电压差。 1834年，让·查尔斯·阿塔纳斯·珀尔帖发现，在两种不同导体的连接处通电，根据电流方向的不同，可以使其起到加热器或冷却器的作用。吸收或产生的热量与电流成正比，这个比例常数称为珀尔帖系数。如今，由于对塞贝克效应和珀尔帖效应的了解，热电材料已被用作加热器、冷却器和热电发电机（TEG）。

理想的热电材料具有高塞贝克系数、高电导率和低热导率。低热导率对于在结处维持高温度梯度至关重要。目前生产的标准热电模组由夹在两片金属化陶瓷板之间的P型和N型掺杂碲化铋半导体所构成。陶瓷板为系统提供刚性和电绝缘性。半导体之间采用串联电连接和并联热连接。

微型热电偶已被开发出来，可以将人体热量转化为电能，在 5 度温度梯度下，以 3伏特电压产生 40μW 的功率；而另一方面，大型热电偶则用于核能 RTG 电池中。

实际例子有霍尔斯特中心的指式心率计和弗劳恩霍夫协会的热能产生器。^{[ 14 ] [ 15 ]}

热电材料的优点：

1. 由于没有活动部件，因此可以连续运行多年。热电产品生产公司Tellurex声称，热电产品能够稳定运作超过10万小时。
2. 热电材料不含任何需要补充的材料。
3. 加热和冷却是可以逆转的。

热电能量转换的一个缺点是效率低（目前低于10%）。开发能够在更高温度梯度下工作，并且能够良好导电而不导热（这在不久前还被认为是不可能的）的材料，将有助于提高效率。

热电技术的未来研究方向之一是将汽车引擎燃烧产生的废热转化为电能。

这种技术利用振动磁体经过线圈时累积能量。例如，永磁发电机（PMG Perpetuum）的系统就采用了这种技术，该系统被应用于石油化学工业。^{[ 16 ] [ 17 ]}

这种能量采集方式是基于振动相关变容二极管电容的变化。振动使初始带电的变容二极管（可变电容器）的极板分离，机械能转换为电能。 M2E Power Kinetic Battery就是一个内建储能装置的静电能量撷取器的例子。另一个例子是 CSIRO 的柔性整合能源装置 (FIED) ^{[ 18 ]。}

另一种能量收集方式是透过氧化血糖。这些能量收集器被称为生物燃料电池。它们可用于为植入式电子设备（例如，心脏起搏器、糖尿病患者植入的生物感测器、植入式主动RFID设备等）供电。目前，圣路易斯大学的Minteer研究小组已经开发出可用于从血糖发电的酵素。然而，这些酵素几年后仍然需要更换。^{[ 19 ]}

Voltree公司开发了一种从树木中收集能量的方法。这些能量收集器正被用于为远端感测器和网状网络供电，作为长期部署系统的基础，用于监测森林火灾和天气状况。他们的网站称，这种设备的使用寿命仅受限于所依附树木的寿命。他们最近在美国国家公园的森林中部署了一个小型测试网络。^{[ 20 ]}

电活性聚合物（EAP）已被提出用于能量收集。这些聚合物具有高应变、高弹性能量密度和高能量转换效率。基于EAP的系统总重量预计将显著低于基于压电材料的系统。

奈米发电机，例如佐治亚理工学院开发的那种，可以为无需电池的设备供电提供一种新方法。^{[ 21 ]}虽然目前（2008 年）它只能产生几十纳瓦的功率，这对于任何应用来说都太低了。

• Pofvolrtal：能量
• 汽车热电发电机
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• 热声热空气发动机

整体评价

• 能量采集技术及相关储能问题的比较
• 移动和无线电子设备的能量收集
• 收集环境能量将使嵌入式设备自主运作。
• PowerMEMS研讨会论文集
• 每日更新最新产业动态
• 能量收集材料系统中心
• 用于自供电穿戴式健康监测系统的能量收集
• 能量收集期刊
• Sentilla 白皮书：能量收集

运动/振动

• 利用人体和机器运动能量采集技术为无线电子设备供电

压电

• 压电陶瓷教程
• 利用压电陶瓷纤维复合材料进行能量收集
• 探索电力
• 犹他州Symko公司利用压电热声技术实现热→声音→电转换。

光电

• Luque, Antonio. 光伏科学与工程手册 c2003 John Wiley and Sons。
• 曙红-Y修饰的奈米晶ZnO电极的结构和光电化学特性

热电偶

• 高温环境下薄膜陶瓷热电偶的研制
• 热电学入门

风

• 一种利用压电振动收集风能用于低功耗自主感测器的新型方法

未来方向

• 能量收集材料与系统中心
• [用于机械能收集的电致伸缩聚合物]
• 麻省理工学院两位科学家于2007年7月25日看到了由民众驱动的“众筹农场”。
• 未来无人机的能量采集。
• 哥伦比亚大学能量收集主动网络标签项目