能量收集從滿足電源管理需求開始

一個現(xiàn)實世界的例子：“飛機健康狀況監(jiān)視”

今天，大型機群的結(jié)構(gòu)性疲勞是一個現(xiàn)實問題，因為如果忽視該問題，就可能導致災(zāi)難性后果。目前，飛機結(jié)構(gòu)狀況是通過多種檢查方法來監(jiān)視的，如通過改進的結(jié)構(gòu)化分析和跟蹤方法，通過采用評估結(jié)構(gòu)完整性的創(chuàng)新理念，等等。這些方法有時又統(tǒng)稱為“飛機健康狀況監(jiān)視”方法。在飛機健康狀況監(jiān)視過程中，采用了傳感器、人工智能和先進的分析方法以實時進行連續(xù)的健康狀況評估。

聲發(fā)射檢測是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的領(lǐng)先方法。這種方法可以方便地用來診斷合成型飛機結(jié)構(gòu)的損壞。一個顯然的要求是，以簡單的“通過”、“未通過”形式指示結(jié)構(gòu)完整性，或者立即采取維修行動。這種檢測方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平檢測傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結(jié)構(gòu)體表面，通過三角定位能夠定位裝載了傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。

因此，無線傳感器模塊常常嵌入到飛機的各種不同部分，例如機翼或機身，以進行結(jié)構(gòu)分析，不過為這些傳感器供電可能很復雜。因此，如果以無線方式供電或者甚至自助供電，那么這些傳感器模塊就可以更方便地使用，效率也更高。在飛機環(huán)境中，存在很多“免費”能源，可用來給這類傳感器供電。兩種顯然和可以方便地利用的方法是熱能收集和/ 或壓電能收集。

在典型的飛機發(fā)動機情況下，其溫度可能在幾百℃到1,000℃甚至2,000℃的范圍內(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機械能（燃燒和發(fā)動機推力）的形式損失了，但是仍然有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應(yīng)是將熱量轉(zhuǎn)換成電功率的根本熱力學現(xiàn)象，那么要考慮的主要方程是：

P = ηQ

其中P 是電功率，Q 是熱量，η是效率。

較大的熱電發(fā)生器（TEG）使用更多熱量（Q），產(chǎn)生更多功率（P）。類似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器自然產(chǎn)生兩倍的功率，因為它們可以獲取兩倍的熱量。較大的熱電發(fā)生器通過串聯(lián)更多的P-N 節(jié)形成，不過，盡管這樣可以在溫度變化時產(chǎn)生更大的電壓（mV/dT），但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)電阻的增大限制了可提供給負載的功率。因此，視應(yīng)用需求的不同而有所不同，有時使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器而不是使用較大的熱電發(fā)生器會更好。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用熱電發(fā)生器產(chǎn)品。

通過給一個組件施加壓力，可以產(chǎn)生壓電，而壓電反過來又產(chǎn)生一個電位。壓電效應(yīng)是可逆的，展現(xiàn)正壓電效應(yīng)（當加上壓力時，產(chǎn)生一個電位）的材料也展現(xiàn)反壓電效應(yīng)（當加上一個電場時，產(chǎn)生壓力和/ 或應(yīng)力）。

為了優(yōu)化壓電換能器，需要確定壓電源的振動頻率和位移特性。一旦確定了這些電平，壓電元件制造商就能夠設(shè)計一款壓電元件，以機械的方式將其調(diào)諧至特定的振動頻率，并確定其尺寸以提供所需的功率量。壓電材料中的振動將觸發(fā)正壓電效應(yīng)，從而導致電荷積聚在器件的輸出電容上。積累的電荷通常相當少，因此AC開路電壓很高，在很多情況下處于200V 量級。既然每次撓曲產(chǎn)生的電荷量相對較少，那么有必要對這個AC信號進行全波整流，并在一個輸入電容器上逐周期積累電荷。

就能源選擇而言，在熱源和壓電源之間存在權(quán)衡問題。不過，不管選擇哪一種方法，這兩種方法都是可行和現(xiàn)實的解決方案，可以非常方便地與現(xiàn)有技術(shù)一起使用。下表總結(jié)了這兩種方法的優(yōu)缺點：

注1：在飛機中獲得溫度差的最佳途徑是，獲取飛機機艙內(nèi)“皮”溫度與機艙內(nèi)部溫度之差。