Human energy harvesting/zh

人體能量收集是指利用人體作為主要能量來源來產生和儲存能量（通常以電能的形式）的系統。^{[ 1 ]}人體能量採集系統通常是小型無線自主設備，例如穿戴式電子設備和無線感測器網路中使用的設備。目前，人體能量採集器產生的能量不足以進行機械功，而是為低功耗電子設備提供少量電力。大規模發電所需的燃料（石油、煤炭等）需要成本，而能量採集器的「燃料」則是天然存在，因此被認為是免費的。例如，內燃機的運作會產生溫度梯度；在城市地區，由於無線電和電視廣播，環境中也存在大量的電磁能量。

將環境能量轉化為電能的能量採集裝置在軍事和商業領域都引起了廣泛關注。一些系統可以將運動（例如海浪的運動）轉化為電能，供海洋監測感測器自主運作使用。未來的應用可能包括部署在偏遠地區的高功率輸出裝置（或此類裝置陣列），作為大型系統的可靠電源。另一個應用領域是穿戴式電子設備，能量採集裝置可以為手機、行動電腦、無線電通訊設備等供電或充電。所有這些裝置都必須足夠堅固耐用，能夠承受長期暴露在惡劣環境中，並且具有廣泛的動態靈敏度，以利用整個波浪運動頻譜。

能量還可以被收集起來為小型自主感測器供電，例如採用微機電系統（MEMS）技術開發的感測器。這些系統通常非常小巧，耗電量也很低，但由於依賴電池供電，其應用受到限制。從環境振動、風、熱或光中收集能量可以使智慧感測器無限期地工作。包括倫敦帝國學院控制與電源組和光學與半導體元件組、IMEC及其合作的霍爾斯特中心^{[ 2 ]} 、麻省理工學院波士頓分校、喬治亞理工學院、加州大學柏克萊分校、南安普敦大學、PMG Perpetuum、新加坡國立大學和哥倫比亞大學在內的多個學術和商業團隊參與了振動能量收集技術的分析和開發。^{[ 3 ]}

能量採集裝置的典型功率密度高度依賴於特定應用（影響發電機的尺寸）以及採集發電機本身的設計。一般來說，對於運動驅動裝置，典型值約為幾米用於人體動力應用的 W/cc 和數百種米由機械驅動的發電機的功率（W/cc）。^{[ 4 ]}

實際上，對於穿戴式電子設備的能量收集裝置而言，大多數裝置只能產生幾毫瓦的功率。^{[ 5 ]}

一般來說，能量可以儲存在電容器、超級電容器或電池中。電池利用儲存的化學能為使用者供電。電容器適用於需要提供巨大能量峰值的應用情境。電池的能量洩漏較少，因此適用於需要提供穩定能量流的設備。

在小型應用（穿戴式電子產品）中，電源遵循以下電路：經過轉換（例如透過 AC/DC 到 DC/DC 逆變器）並儲存在能量緩衝器（例如電池、電容器等）中後，電源會通過微處理器（配備可選感測器）並傳輸（通常是無線傳輸）。

能量收集的歷史可以追溯到風車和水車時代。幾十年來，人們一直在探索如何儲存熱能和振動能。推動人們研發新型能量收集裝置的一個重要因素是，人們希望無需電池即可為感測器網路和行動裝置供電。此外，應對氣候變遷和全球暖化也是能量收集發展的重要動力。

許多小型能源通常無法擴大到工業規模：

• 壓電晶體或纖維在受到機械形變時會產生微弱電壓。引擎的振動可以刺激壓電材料，鞋跟的振動也能起到類似的作用。
• 有些腕錶本身就利用動能驅動（稱為動能表），在這種情況下，動能來自手臂的運動。手臂的運動會帶動電磁發電機中的磁鐵移動。這種運動會改變磁通量，從而在線圈上產生感應電動勢。這個原理其實與法拉第電磁感應定律有密切關係。
• 熱電發電機（TEG）由兩種不同材料的結以及溫度梯度所構成。透過將多個結串聯連接，並聯連接，可以實現高電壓輸出。典型的性能為每個結100-200微伏特/攝氏度。這些熱電發電機可用於從工業設備、建築物甚至人體中捕獲毫瓦級的能量。它們通常與散熱器配合使用，以增強溫度梯度。
• 微型風力渦輪機用於收集環境中現成的風能，將其轉化為動能，為無線感測器節點等低功耗電子設備供電。當空氣流過渦輪葉片時，葉片上方和下方的風速之間會形成淨壓力差。這將產生升力，進而驅動葉片旋轉。這就是所謂的空氣動力效應。
• 特殊天線可以收集雜散無線電波的能量，理論上甚至可以收集光（電磁輻射）的能量。^{[需要驗證]}

一種可能的能量來源是無所不在的無線電發射器。然而，要從這個能量來源獲得有效的功率，要嘛需要很大的接收面積，要嘛需要非常靠近輻射源。

一種方法是故意廣播射頻能量來為遠端設備供電：這在被動式射頻識別 (RFID) 系統中很常見，但安全法規和美國聯邦通訊委員會（以及世界各地的同等機構）限制了以這種方式傳輸的最大功率。

生物力學能量採集器也正在研發中。目前的一種型號是馬克斯·多內蘭（Max Donelan）設計的生物力學能量採集器，它可以綁在膝蓋上。^{[ 6 ]}這類設備每個膝蓋可以產生2.5瓦的功率，足以供大約5部手機使用。

壓電效應可以將機械應變轉換為電流或電壓。這種應變可以來自多種來源，例如人體運動、低頻地震振動和噪音等。除極少數情況外，壓電效應通常在交流電下工作，需要時變輸入且處於機械共振狀態才能有效發揮作用。

大多數壓電電源產生的功率在毫瓦級，功率太小，無法應用於系統，但足以滿足一些市售自動上鍊手錶等手持設備的需求。一種方案是將它們用於微型設備，例如用於微型液壓能量採集裝置。在這個裝置中，加壓液壓油的流動驅動由三個壓電元件支撐的往復活塞運動，這些壓電元件將壓力波動轉換為交流電。

壓電系統可以將人體運動轉化為電能。美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助了多項研究，旨在利用腿部和手臂運動、鞋子衝擊以及血壓產生的能量，為植入式或穿戴式感測器提供低功率電源。王忠林博士的奈米刷是壓電能量收集器的另一個例子。^{[ 7 ]}它們可以整合到服裝中。需要精心設計以最大程度地減少使用者的不適感。這些能量收集器會對人體產生影響。振動能量收集項目^{[ 8 ]}是另一個旨在從環境振動和運動中收集電能的項目。

利用壓電材料收集能量已成為一種普遍做法。壓電材料能夠將機械應變能轉換為電荷。壓電元件已嵌入人行道^{[ 9 ] [ 10 ]}中，用於回收腳步所產生的「人體能量」。它們也可以嵌入背包^{[ 11 ]}和鞋子^{[ 12 ]}中，用於回收「行走能量」。

熱釋電效應可以將溫度變化轉換為電流或電壓。它類似於壓電效應，後者是另一種鐵電行為。與壓電效應一樣，熱釋電效應需要時變輸入，並且在能量收集應用中功率輸出較小。熱釋電材料相對於熱電材料的一個關鍵優勢是，許多熱釋電材料在高達 1200°C 或更高的溫度下仍保持穩定，這使得從高溫源收集能量成為可能，從而提高了熱力學效率。然而，最近出現了一種不需要時變輸入的熱釋電能量收集裝置。這種能量收集裝置利用加熱的熱釋電材料的邊緣去極化電場將熱能轉化為機械能，而不是像傳統裝置那樣從連接在晶面上的兩塊電極板中抽取電流。此外，這種新型熱釋電熱機的各個級可以級聯，以提高卡諾效率。^{[ 13 ]}

1821年，托馬斯·約翰·塞貝克發現，兩種不同導體之間形成的溫差會產生電壓。熱電效應的核心在於，導電材料中的溫差會導致熱流，進而造成載子的擴散。載子在冷熱區域之間的流動會產生電壓差。 1834年，讓·查爾斯·阿塔納斯·珀爾帖發現，在兩種不同導體的連接處通電，根據電流方向的不同，可以使其起到加熱器或冷卻器的作用。吸收或產生的熱量與電流成正比，這個比例常數稱為珀爾帖係數。如今，由於對塞貝克效應和珀爾帖效應的了解，熱電材料已被用作加熱器、冷卻器和熱電發電機（TEG）。

理想的熱電材料具有高塞貝克係數、高電導率和低熱導率。低熱導率對於在結處維持高溫度梯度至關重要。目前生產的標準熱電模組由夾在兩片金屬化陶瓷板之間的P型和N型摻雜碲化鉍半導體所構成。陶瓷板為系統提供剛性和電絕緣性。半導體之間採用串聯電連接和並聯熱連接。

微型熱電偶已被開發出來，可以將人體熱量轉化為電能，在 5 度溫度梯度下，以 3伏特電壓產生 40μW 的功率；而另一方面，大型熱電偶則用於核能 RTG 電池中。

實際例子有霍爾斯特中心的指式心率計和弗勞恩霍夫協會的熱能產生器。^{[ 14 ] [ 15 ]}

熱電材料的優點：

1. 由於沒有活動部件，因此可以連續運行多年。熱電產品生產公司Tellurex聲稱，熱電產品能夠穩定運作超過10萬小時。
2. 熱電材料不含任何需要補充的材料。
3. 加熱和冷卻是可以逆轉的。

熱電能量轉換的一個缺點是效率低（目前低於10%）。開發能夠在更高溫度梯度下工作，並且能夠良好導電而不導熱（這在不久前還被認為是不可能的）的材料，將有助於提高效率。

熱電技術的未來研究方向之一是將汽車引擎燃燒產生的廢熱轉化為電能。

這種技術利用振動磁體經過線圈時累積能量。例如，永磁發電機（PMG Perpetuum）的系統就採用了這種技術，該系統被應用於石油化學工業。^{[ 16 ] [ 17 ]}

這種能量採集方式是基於振動相關變容二極體電容的變化。振動使初始帶電的變容二極體（可變電容器）的極板分離，機械能轉換為電能。 M2E Power Kinetic Battery就是一個內建儲能裝置的靜電能量擷取器的例子。另一個例子是 CSIRO 的柔性整合能源裝置 (FIED) ^{[ 18 ]。}

另一種能量收集方式是透過氧化血糖。這些能量收集器被稱為生物燃料電池。它們可用於為植入式電子設備（例如，心臟起搏器、糖尿病患者植入的生物感測器、植入式主動RFID設備等）供電。目前，聖路易斯大學的Minteer研究小組已經開發出可用於從血糖發電的酵素。然而，這些酵素幾年後仍然需要更換。^{[ 19 ]}

Voltree公司開發了一種從樹木中收集能量的方法。這些能量收集器正被用於為遠端感測器和網狀網路供電，作為長期部署系統的基礎，用於監測森林火災和天氣狀況。他們的網站稱，這種設備的使用壽命僅受限於所依附樹木的壽命。他們最近在美國國家公園的森林中部署了一個小型測試網路。^{[ 20 ]}

電活性聚合物（EAP）已被提出用於能量收集。這些聚合物具有高應變、高彈性能量密度和高能量轉換效率。基於EAP的系統總重量預計將顯著低於基於壓電材料的系統。

奈米發電機，例如佐治亞理工學院開發的那種，可以為無需電池的設備供電提供一種新方法。^{[ 21 ]}雖然目前（2008 年）它只能產生幾十納瓦的功率，這對於任何應用來說都太低了。

• Pofvolrtal：能量
• 汽車熱電發電機
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• 無人機可以透過能量採集獲得動力。
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• 熱聲熱空氣發動機

整體評價

• 能量採集技術及相關儲能問題的比較
• 移動和無線電子設備的能量收集
• 收集環境能量將使嵌入式設備自主運作。
• PowerMEMS研討會論文集
• 每日更新最新產業動態
• 能量收集材料系統中心
• 用於自供電穿戴式健康監測系統的能量收集
• 能量收集期刊
• Sentilla 白皮書：能量收集

運動/振動

• 利用人體和機器運動能量採集技術為無線電子設備供電

壓電

• 壓電陶瓷教程
• 利用壓電陶瓷纖維複合材料進行能量收集
• 探索電力
• 猶他州Symko公司利用壓電熱聲技術實現熱→聲音→電轉換。

光電

• Luque, Antonio. 光伏科學與工程手冊 c2003 John Wiley and Sons。
• 曙紅-Y修飾的奈米晶ZnO電極的結構和光電化學特性

熱電偶

• 高溫環境下薄膜陶瓷熱電偶的研製
• 熱電學入門

風

• 一種利用壓電振動收集風能用於低功耗自主感測器的新型方法

未來方向

• 能量收集材料與系統中心
• [用於機械能收集的電致伸縮聚合物]
• 麻省理工學院兩位科學家於2007年7月25日看到了由民眾驅動的「眾籌農場」。
• 未來無人機的能量採集。
• 哥倫比亞大學能量收集主動網路標籤項目