（Source：www.martindebie.com）
【撰文／姚嘉洋】
能源採集並不是現階段產業界最熱門的話題，
但畢竟物聯網終端節點還是需要有長時間的電力供應，
能源採集就成了重要的電力來源之一，未來的發展會如何？
值得大家期待。
如果用較廣的角度來看待能源採集這個議題，基本上只要涉及「能源轉換」的過程，應該都能被歸類在能源採集的範疇中，換言之，我們過去時常所談的再生能源亦可屬於能源採集的一環。
普遍來看，扣除再生能源與無線充電這兩大領域，其他的能源採集技術並沒有太多的討論。當然，我們也曾經看過利用踢足球的動能轉換為電能，再利用電能進行LED照明等實際應用案例，儘管這類應用在能源採集的議題中已有不少的討論，但就市場產值而言，所佔的比重還是相當有限。
Gartner研究總監Steve Ohr就表示，即便能源採集技術如雨後春筍般的出現，但就發展狀況並沒有如想像中的快速，反倒是相當緩慢。無論是太陽能、熱梯度（thermal gradient）或震動能量採集（vibration harvesting），就目前的技術水準來看，仍會停留在僅僅用到大型擷取機械，卻只能收集少量能源的現況。我們預期能源轉換效率將會提升，但主流採集機械（太陽能、風力、震動能量、熱梯度等）的結構並不會隨之縮小。
至於能源採集技術是否能夠帶動半導體領域的成長，Steve Ohr也是抱持相對保守的看法，他進一步指出，大部分能源採集器屬於「電子」範疇，但並非半導體。不過，有些震動能源採集器（壓電，piezo-electric）能降低電腦電源供應器的負載需求。有家名為Microgen的公司（位於紐約州羅徹斯特）正研發如何從馬達與機械設備採集震動能量，希望藉此縮小用來發動馬達與機械設備之電源供應器的體積。
Steve Ohr認為，能源採集對系統業者較為有利，但技術本身並不會增加半導體營收。無線感測器節點數量增加才會帶動半導體營收。但相關成長與能源採集沒有關係。
Gartner認為，能源採集並不會為半導體業者帶來營收，僅有無線感測系統能帶來實質的營收效益。（Source：www.rfranging.com）
投入的半導體業者 相對有限
不過，若簡單探究能源採集的半導體解決方案，扣除太陽能、風力發電等大電力發電以及近期相當熱門的無線充電技術不談，檯面上能夠提供能源採集的半導體業者並不算太多。
綜觀能源採集相關的半導體元件供應商，比較知名的是德州儀器（TI）與凌力爾特（Linear）兩家半導體業者。德儀專攻電源管理與MCU（微控制器），凌力爾特就聚焦於電源設計方案為主，除此之外，像是能源採集元件或是記憶體等，也有半導體業者提供對應產品，像是意法半導體（ST）或是奧地利微電子等，前者提供以EEPROM為基礎的雙介面記憶體，後者則是提供環境光感測器。
所以大體上來看，投入的半導體業者並不是相當的多，這個現象多少也呼應了Steve Ohr的看法。
目前能源採集的設計關鍵仍是在電源設計上，
很明顯的，過去在太陽能領域十分重要的MPPT，
在能源採集上扮演關鍵角色。
當然，也別忽略了硬體電路的重要性。
能源採集關鍵還是在電源設計
不過，我們都很清楚，就能源採集系統的設計而言，其中的電源設計本身就是相當重要的課題，所以像是德州儀器與凌力爾特在該領域有不小的著墨，當然，像是亞德諾半導體（ADI）或是富士通半導體多少也有對應的解決方案。細數目前現有的半導體業者，大多也是聚焦電源設計上。
談到這個領域，凌力爾特電源管理部總監Tony Armstrong透露，在我們的生活周遭，存在著許多的環境能源，過去能源採集的傳統方法是借助太陽能板和風力發電機，不過，新的採集工具讓我們能運用各式環境能源來產生電能。而且，重要之處不只在於採集工具的能量轉換效率，也要重視可為其供電的「平均採集」能量值。
其中熱電產生器可將熱量轉換為電力、壓電元件可轉換機械振動能量、光伏元件用於轉換陽光（或任何光子源）能量，流電元件則可從濕氣實現能量轉換。這些轉換來的電力能夠對遠端感測器或電能記憶體（例如：電容器或薄膜電池）進行充電，或是為遠端微處理器及發送器實施供電，而無需為配電或更換電池而傷腦筋。這也為相關半導體業者的能源採集解決方帶來了新的機會。一般而言，能源採集應用所採用的晶片必須具備以下性能與特徵：
--低待機靜態電流─通常小於 6μA，並可低至 450nA
--低啟動電壓─低至 20mV
--高輸入電壓能力─高達 34V (連續) 和 40V (暫態)
--能夠處理 AC 輸入
--多輸出能力和自主型系統電源管理
--自動極性操作
--針對太陽能輸入的最大功率點控制 (MPPC)
--能夠從低至攝氏1度的溫差採集能量
--接腳佔位精小且外部元件極少的解決方案
許多物聯網終端大多會搭載鈕釦電池讓系統運作，電池的充電與否，端看實際環境的需求，相對的也會影響電源設計的作法。（Source：2.bp.blogspot.com）
Tony Armstrong進一步談到，傳統上，各種不同類型的感測器靠導線連接到電源。然而，如今面對的問題不再是圍繞場地設施佈設電纜的挑戰和費用，因為現在可以安裝可靠、工業級強度的無線感測器，這些感測器可以靠一塊小型電池、甚至可以依靠光、振動或溫度變化中採集的能量來運作多年的時間。
另外，也可以透過可充電電池與多種環境能源的組合搭配來為系統供電。同時，由於內在的安全問題，有些充電電池不能以有線方式充電，而需要透過無線充電的方式來充電。
先進的能源採集技術可在一般工作條件下產生mW量級的功率。這麼低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來採集元件的工作表現可以說明一件事：無論就能量供應，還是就所提供的每單位能量的成本而言，這些技術與高電力容量的主電池類似。不過，採用能源採集的系統一般能在電能耗盡前持續充電，這一點是主電池供電系統做不到的。
大多數解決方案會將環境能源作為主電源，將電池作為備用電源，如果環境能源消失或中斷提供，就可以將電池轉接進來。這種電池可以是，也可以不是可充電型電池，是否用可充電電池，通常由最終應用本身決定。
所以，設計原則是，如果最終部署環境易於進入，方便一次性電池的更換，維護人員就可選擇較經濟實惠的一次性電池方案。如果更換電池耗時費力、成本高昂（如森林火災感測系統），那麼採用充電電池就更具有經濟意義。
即使選擇了充電電池，為電池充電的最佳方法仍然需要探討。以下一些因素會影響設計考量：
--是否存在有線電源來為電池充電；
--環境能源是否提供充足的功率，足夠同時為無線感測器網路 (WSN) 供電以及為電池充電；
--是否由於內在安全要求以及由於部署存在危險性，而需要透過無線充電方式來為電池充電。
整合之後 考量的是電池壽命
由於能源採集的過程中，輸出的電源不是相當穩定，如何即時取得最大功率，就是一大挑戰，而觀察德儀或是凌力爾特的解決方案，至少都會有一兩款產品將MPPT（最大功率點追蹤）的功能加以整合，以確保電池的壽命能有效延長。
此外，視設計需求，電池充電器、升壓轉換器與降壓轉換器等，都會是能源採集系統設計所必須考量的硬體電路。若半導體製程乃至於技術能力許可的情況下，也有可能有升降壓轉換器再整合電池充電器的解決方案，像是凌力爾特的LTC3331，就可以歸類在這種高度整合的方案。
不過，像是德儀也不遑多讓，旗下的bq25570就整合了升壓充電器與降壓轉換器，再加上德儀在類比電路設計上，一向會導入簡單的可編程功能，所以該款產品也搭載了MPPT功能，但不管作法為何，其目標都是要將整體系統的電源動態管理作到最佳化。
能源採集所需要的電源設計架構，為了因為電源的穩定輸出的問題，MPPT通常都會被納入考量，升降壓電路亦同。（Source：德州儀器）
結論
截至目前為止，能源採集這個議題在全球科技產業並沒有如物聯網或是智慧型手機等來得有話題性，這多少也影響了半導體業者們切入該領域的意願，但能肯定的是，先行布局的還是以國外大廠居多。除此之外，與能源採集相關的半導體方案也是以電源設計居多。
不過，畢竟能源採集與物聯網還是有著一定程度的關係在，每個節點若能夠透過能源採集的方式來延長使用壽命，這將是物聯網另一個值得思考的問題，屆時，能源採集是否又將是產業界另一個熱門話題，值得關注。
【全文刊載於《CTIMES雜誌》2014年12月號】-- CTIMES粉絲團】
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儘管能源採集在業界的討論並不是太多，但若能搭上物聯網熱潮，提供電力讓物聯網終端系統運作，未嘗不是能源採集的一條出路。（Source：www.martindebie.com/）
