如果你正在户外，想为行动装置充电，是否有比电池更好的解决方案呢？

随身携带电源，多少还是有些不便。也因此，从环境中随手提取能源的能源采集技术，正逐渐成为各种应用领域中最被重视的能源方案。

近几年来，能源采集技术更走出实验室，逐步迈入商用设计中。尽管短期内，能源采集技术还不会完全替代所有电池应用，但已崭露头角，未来肯定会在不同领域大放光明。

能源随手取得不是梦！

所谓能源采集，是指将随处可见的资源，如振动、热量或光能等，转变成可运用的电能，这也是可自供电式无线感应器的核心技术。广义上来说，可供采集的能源包括动能（风、波、重力、振动等）；电磁能（光伏和电磁波等）；热能（太阳热能、地热、温度变化、燃烧等）；原子能（原子核能、放射性衰变等）或生物能（生物燃料、生物质能等）。

图一 : 能量采集的优点，就是任何地点都可以获取能量，例如搭飞机或高铁，把体温转为热电能，坐越久，获得能量越多。

能量的采集来源非常多样化，一般使用压电、光电或热电元件，将收集到的能量转换成电能。从这些来源产生的电能通常以毫瓦（mW）为单位，采集后的电能供应给电子设备，最终将不必再使用电池，许多设备更不需连接到电网就能运作工作，并能持续长时间运作，达到低能耗、环保，以及能为使用者带来低成本等高效益。

尽管能源采集的概念已出现许多年了，但要在实际的环境中建置一个能源采集系统并不容易，不仅麻烦，系统也复杂且昂贵。目前能源采集可行的应用领域，包括交通运输基础设施、无线医疗设备、胎压检测等，其中最大的市场是建筑物自动化。透过能源采集，建筑物的感测器、恒​​温器和灯光开关等系统都不必再使用传统的电源与控制线路，而是以一组机械或能源采集系统来取代。

建筑物自动化是最大应用

能源采集技术之所以会出现，主要就是今日的电路能以微瓦级的平均功率来运作。由于现在的电池技术尚存在使用不方便、供电时间短、成本昂贵，甚至有潜在的危险，如果能透过能量采集技术来提供电力给电池充电、补充或者是替代电池，将是能源产业的一大进展。

用能源采集来供电，甚至可以不再需要用导线来供电或传送资料，因此能源采集可以直接驱动智慧无线感测网路，让复杂的供电过程简单化。未来工业制造过程、太阳能电板和内燃机所产生的能量，都可以收集起来再利用，不必担心浪费掉了。

图二 : 能量采集早就不是个新鲜话题，过去已有杂志以此为题，在赛车场上，以群众的呼喊声，做为赛车的能量来源。

其实，从看似不可能的资源中，收集或撷取能量的技术，已经发展了几十年的历史了。例如从可以亮灯的弹跳球、需自行上紧发条的手表，到美国国防部先进研究计划署所赞助的计划，例如透过人体运动为可穿戴式的感测器供电等。能量采集领域永远充满令人惊奇的应用。

举例来说，在建筑物自动化系统中，反应感测器、自动调温器和光控开关等元件，过去在安装时，通常需要额外安装电源或控制配线，或者外装电池，但现在已经不需要了，取而代之的是局部能量采集系统。

采用能量采集技术专用的无线网路，可以将一栋建筑物中多数的感测器串连起来，以便在建筑物的非主要区域，或者房间无人使用时切断该区域的电源，进而降低HVAC （电子恒温空调系统）和照明费用。使用能量采集线路的成本，经常会低于布建电源线的成本，因此用采集的能量供电，显然具有一定的经济收益。

无线感测器是发展重点

根据研究机构IDTechEx指出，随着多达数百家开发商一致投入能量采集的价值链中，陆续投入该领域的资金已超过7亿美元。能量采集其实就是透过撷取任何一种环境能源，并将之转换为电力，来供应给小型独立设备使用，如卫星、行动电脑，以及感测器网路节点等，让这些设备能自行供电、自给自足。这是由于透过采集所获得能量通常也都很小，初期仅适合用于毫瓦等级的设备使用。

其实能量采集的应用范围相当广泛，从汽车到智慧电网都包含在内。目前更逐步跨入消费性电子领域。 2011年，粗估就有160万个能量采集装置被应用在无线感测器中，总计这些采集器的花费大约为1,375万美元。

环境能源采集的实例，包括与发热源（如窗户玻璃）相连的温差发生器与温差电堆，或者连接到玻璃等机械振动源的压电换能器等。在热源情况下，转换器可以将小温差转换成电能；而机械振动或压力转换的压电元件，则可以透过机械振动或者应力转换电能。

近年来，能源采集装置的发展重点之一，是为无线感测器来供电。为无线感测器供电的能源采集装置已经上市，反倒是无线感测器的采用速度，却跟不上脚步。目前，无线感测器领域充斥着许多不同的无线标准，这是导致能源采集难以快速普及的主因。

热电与压电技术接续登场

能量采集后，其电源所能提供的能量，取决于该电源能运作多久的时间。因此，能量采集的主要衡量标准是功率密度，而不是能量密度。

图三 : 尽管还不可能，然而若未来能源都能以采集方式获得，我们的地球环境肯定会如同图片一般美好。

目前，大部分采用能量采集装置是太阳能电池应用，其次是电动力计，这是两种相对较成熟的能量采集技术。然而，许多新技术也正相继迈入市场，包括可从热能中产生动力的热电技术在内。目前，包括美国能源署等机构，正在和BMW和GM等车厂合作，将引擎排放出的废热，转换为汽车电子系统的能量。

美国太空总署NASA也使用这种热电技术，来为火星探测车提供动力，因为火星探测车不像地球上的太阳能电池，可以随时撷取热能，它必须在没有光的地方工作。另外，具备小尺寸和高效率特性的压电能量采集也逐渐掳获相关产业的目光。包括太阳能、风力、热电与压电等四种能量采集技术，在2011年拥有差不多的市占率。不过短期内，太阳能仍将持续主导消费应用领域。

2021年规模可达44亿美元

目前在能源采集市场上，已经有了许多有趣的应用实例。例如，传统的电池在低温下可能会失效，因此目前已经有专门针对此种情况提供能量采集功能的方案问世。而在取代传统电网方面，更有厂商开发出一种在人行道上，当行人踩过时可产生能量的铺路砖，其所产生的能源，可以用于路灯或照明的补充电源。

此外，以色列一家名为Innowattech的公司就率先使用了安装在马路和铁轨下方的压电垫片来收集能量。由以色列铁路公司安装的一款产品原型，已经在每小时开过10至20趟、挂载10辆车身的火车铁轨上，收集到了120kWh的能量。这些采集出来的能量可为铁路号志灯供电，或上传到智慧电网使用。

虽然从马路上撷取能量发电极具前途，但对能量采集来说，最大的机会还是上述的无线感测器网路应用。免维修的无线网路正在改变这个世界，例如监控并管理远端环境、追踪蔬果在长距离运输过程中的新鲜程度，或管理一幢建筑物的空调系统等。由于无线感测网路能使这些工作变得更有效率，因此可以节省好几个数量级的间接能量使用。

另一家厂商BigBelly Solar则是开发了一套BigBelly Solar智慧垃圾收集系统。这套系统已经销往全球30多个国家，其核心是一部以太阳能供电的垃圾压缩机，当装满垃圾时，它能透过文字简讯通知垃圾清运工人，提高垃圾车清运远程垃圾箱时的效率，减少不必要的行程，来减少燃料的使用，更为环保。

由于无线感测网路可能为能量采集市场带来爆发性成长，波士顿市调公司IDTechEx也预测，2011年该市场的零组件销售规模将达6.63亿美元，并且未来5年内以双倍成长，到2021年再成长4倍。

结语

其实能源采集，除了采集之外，后续的能源储存、介面装置和低功耗电子装置的配合，缺一不可。目前并没有任何一种能源采集技术可以适用于所有领域，不过，这个产业不断开发出新技术，将能为业者开启更大商机。

这些商机，预计能在未来10年内刺激能源采集市场大幅成长，预估到了2021年，市场规模可达44亿美元。这其中包括2.5亿个由能源采集装置供给能源的感测器。届时，将有更多消费性电子装置，包括笔记型电脑、平板装置和手机等采用。