能量收集從滿(mǎn)足電源管理需求開(kāi)始

一個(gè)現實(shí)世界的例子：“飛機健康狀況監視”

今天，大型機群的結構性疲勞是一個(gè)現實(shí)問(wèn)題，因為如果忽視該問(wèn)題，就可能導致災難性后果。目前，飛機結構狀況是通過(guò)多種檢查方法來(lái)監視的，如通過(guò)改進(jìn)的結構化分析和跟蹤方法，通過(guò)采用評估結構完整性的創(chuàng )新理念，等等。這些方法有時(shí)又統稱(chēng)為“飛機健康狀況監視”方法。在飛機健康狀況監視過(guò)程中，采用了傳感器、人工智能和先進(jìn)的分析方法以實(shí)時(shí)進(jìn)行連續的健康狀況評估。

聲發(fā)射檢測是定位和監視金屬結構中產(chǎn)生裂縫的領(lǐng)先方法。這種方法可以方便地用來(lái)診斷合成型飛機結構的損壞。一個(gè)顯然的要求是，以簡(jiǎn)單的“通過(guò)”、“未通過(guò)”形式指示結構完整性，或者立即采取維修行動(dòng)。這種檢測方法使用由壓電芯片構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構體表面，通過(guò)三角定位能夠定位裝載了傳感器的結構體的聲活動(dòng)。然后用儀器捕捉傳感器數據，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數表示這些數據。

因此，無(wú)線(xiàn)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(jìn)行結構分析，不過(guò)為這些傳感器供電可能很復雜。因此，如果以無(wú)線(xiàn)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(lái)給這類(lèi)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(dòng)機情況下，其溫度可能在幾百℃到1,000℃甚至2,000℃的范圍內變化。盡管這種能量大多數都以機械能（燃燒和發(fā)動(dòng)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。既然席貝克效應是將熱量轉換成電功率的根本熱力學(xué)現象，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(lèi)似地，使用數量為兩倍的功率轉換器自然產(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(guò)串聯(lián)更多的P-N 節形成，不過(guò)，盡管這樣可以在溫度變化時(shí)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，視應用需求的不同而有所不同，有時(shí)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(huì )更好。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠(chǎng)商提供商用熱電發(fā)生器產(chǎn)品。

通過(guò)給一個(gè)組件施加壓力，可以產(chǎn)生壓電，而壓電反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生一個(gè)電位。壓電效應是可逆的，展現正壓電效應（當加上壓力時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電位）的材料也展現反壓電效應（當加上一個(gè)電場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生壓力和/ 或應力）。

為了優(yōu)化壓電換能器，需要確定壓電源的振動(dòng)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計一款壓電元件，以機械的方式將其調諧至特定的振動(dòng)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(dòng)將觸發(fā)正壓電效應，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(kāi)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(gè)AC信號進(jìn)行全波整流，并在一個(gè)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衡問(wèn)題。不過(guò)，不管選擇哪一種方法，這兩種方法都是可行和現實(shí)的解決方案，可以非常方便地與現有技術(shù)一起使用。下表總結了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：

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