能量收集转换中的电压不是功率，但我们仍然可以利用它

在过去的十年间里，物联网传感器设备以它可实现的更智能、更便捷、更广泛的连接引发了业界和大众媒体的关注，在提高农业作物产量、道路交通流畅、工厂生产效率等方面发挥了积极的作用。可以说，几乎各个行业都在采用物联网传感器和智能设备变革企业的运营模式。鉴于物联网所展现出的种种优势，Machina Research预计2025年全球物联网设备（包括蜂窝及非蜂窝）联网数量将达到252亿个。

物联网的大规模应用无疑是令人鼓舞的，但随着全球数字化进程加快，一个共同的痛点浮现在人们眼前：物联网传感器设备的电池寿命是有限的，庞大的电池数量不仅带来了高昂的维护成本，废弃后的电池还会给环境保护带来更大的负担。

种种因素驱使着物联网开发一种全新的供电方式，它们能够从自然环境中获取能量，而并非依赖电池或其他类型所产生的电力，这种技术被统称为能量采集技术。其原理主要是通过采集环境当中的光能、温差、振动、射频（RF）等能量，并将其转化为电能。以这种方式产生的电力可以存储在电容器或充电电池中以维持电子系统正常工作。

环境中的能量形式不仅多种多样，还可提供稳定的采集源头，但难点在于这些能量强度较为微弱，且呈零散状态。因此，不同能量采集的方法各有差异，下面为大家简单介绍以上几种主流能量的采集原理和设计思路。

能量收集源有很多选择，例如局部热量或振动，但最普遍的可能性之一是抓住我们周围的一些杂散射频场能量，从低频到千兆赫范围。哎，不用，真的会浪费。299792458米/秒的速度永远持续下去。

这就是为什么杜克大学最近的发展看起来很有趣的原因。它涉及使用高度工程化的超材料来构建900 MHz 到 DC 的换能器。研究人员表示，他们的设备可实现 37% 的效率。这非常令人印象深刻，尤其是当我们考虑到好的太阳能电池达到 10% 左右并且（出于明显的原因）不能 24/7 全天候使用时。

我对杜克大学关于这一发展的新闻稿持怀疑态度。为了让观众了解这个概念，作者说，通过串联使用超材料单元，该设备能够产生 7.3 V 的输出，高于标准 USB 端口。

尽管这实际上是正确的，但暗示这种超材料面板可以充当 USB 充电器或类似电源。那样就好了。但任何阅读本文的人都知道，即使它可以提供该电压，电流水平也会很低。在捕获场中通过的射频能量并不多。Applied Physics Letters 中的完整技术论文显示，研究人员在 70-Ω 负载中产生了大约 100 mA 的电流，这非常令人印象深刻。

7.3 V 标签让我想到工程师与电压和电流之间的爱/恨关系，因此与能量和功率（能量传递的速率）。有时所需的具体值由物理定律决定。如果我们想电离气体（例如氖管）或跳过火花隙，则需要几千伏但电流很小。当我们想要进行诸如驱动电机之类的实际工作时，我们将需要更多的电流来提供动力——以更高的电压来降低 I 2 R 损耗并提高整体效率。

相比之下，智能手机所需的电压和电流由专为极低电压设计的 IC 决定，这是由于低功耗的必要性。一般来说，低个位数的电压很难有效地工作——不是因为电阻损耗，而是因为不可避免的 0.6 到 0.8 V 的二极管压降可能会大大占用我们的可用电源电压。

我们如何选择要使用的电压和电流值？与大多数工程情况一样，答案很明确：视情况而定。对于某些情况，例如气体电离或智能手机，我们别无选择；这些数字由物理、可用组件或行业标准决定。在其他情况下，工程师可以灵活选择（在限制范围内）。关键是要找到在电力输送、系统效率、可用组件、安全要求（在不同级别启动）和成本方面效果最佳的电压/电流组合。

我们是否必须分析和选择工作电压和电流水平？你是如何做出平衡不可避免的权衡的决定的？