能量收集从满足电源管理需求开始

一个现实世界的例子：“飞机健康状况监视”

今天，大型机群的结构性疲劳是一个现实问题，因为如果忽视该问题，就可能导致灾难性后果。目前，飞机结构状况是通过多种检查方法来监视的，如通过改进的结构化分析和跟踪方法，通过采用评估结构完整性的创新理念，等等。这些方法有时又统称为“飞机健康状况监视”方法。在飞机健康状况监视过程中，采用了传感器、人工智能和先进的分析方法以实时进行连续的健康状况评估。

声发射检测是定位和监视金属结构中产生裂缝的领先方法。这种方法可以方便地用来诊断合成型飞机结构的损坏。一个显然的要求是，以简单的“通过”、“未通过”形式指示结构完整性，或者立即采取维修行动。这种检测方法使用由压电芯片构成的扁平检测传感器和光传感器，压电芯片由聚合物薄膜密封。传感器牢固地安装到结构体表面，通过三角定位能够定位装载了传感器的结构体的声活动。然后用仪器捕捉传感器数据，并以适合于窄带存储和传送的形式用参数表示这些数据。

因此，无线传感器模块常常嵌入到飞机的各种不同部分，例如机翼或机身，以进行结构分析，不过为这些传感器供电可能很复杂。因此，如果以无线方式供电或者甚至自助供电，那么这些传感器模块就可以更方便地使用，效率也更高。在飞机环境中，存在很多“免费”能源，可用来给这类传感器供电。两种显然和可以方便地利用的方法是热能收集和/ 或压电能收集。

在典型的飞机发动机情况下，其温度可能在几百℃到1,000℃甚至2,000℃的范围内变化。尽管这种能量大多数都以机械能（燃烧和发动机推力）的形式损失了，但是仍然有一部分是纯粹以热量形式消耗的。既然席贝克效应是将热量转换成电功率的根本热力学现象，那么要考虑的主要方程是：

P = ηQ

其中P 是电功率，Q 是热量，η是效率。

较大的热电发生器（TEG）使用更多热量（Q），产生更多功率（P）。类似地，使用数量为两倍的功率转换器自然产生两倍的功率，因为它们可以获取两倍的热量。较大的热电发生器通过串联更多的P-N 节形成，不过，尽管这样可以在温度变化时产生更大的电压（mV/dT），但是也增大了热电发生器的串联电阻。这种串联电阻的增大限制了可提供给负载的功率。因此，视应用需求的不同而有所不同，有时使用较小的并联热电发生器而不是使用较大的热电发生器会更好。不管选择哪一种热电发生器，都有很多厂商提供商用热电发生器产品。

通过给一个组件施加压力，可以产生压电，而压电反过来又产生一个电位。压电效应是可逆的，展现正压电效应（当加上压力时，产生一个电位）的材料也展现反压电效应（当加上一个电场时，产生压力和/ 或应力）。

为了优化压电换能器，需要确定压电源的振动频率和位移特性。一旦确定了这些电平，压电元件制造商就能够设计一款压电元件，以机械的方式将其调谐至特定的振动频率，并确定其尺寸以提供所需的功率量。压电材料中的振动将触发正压电效应，从而导致电荷积聚在器件的输出电容上。积累的电荷通常相当少，因此AC开路电压很高，在很多情况下处于200V 量级。既然每次挠曲产生的电荷量相对较少，那么有必要对这个AC信号进行全波整流，并在一个输入电容器上逐周期积累电荷。

就能源选择而言，在热源和压电源之间存在权衡问题。不过，不管选择哪一种方法，这两种方法都是可行和现实的解决方案，可以非常方便地与现有技术一起使用。下表总结了这两种方法的优缺点：

注1：在飞机中获得温度差的最佳途径是，获取飞机机舱内“皮”温度与机舱内部温度之差。