电子器件能量收集与无线传输

21/24电子器件能量收集与无线传输第一部分能量收集机理与技术手段 2第二部分无线能量传输技术原理 4第三部分近场和远场能量传输特性 6第四部分能量收集与无线传输系统设计 8第五部分无线传感器网络中的能量收集 11第六部分可穿戴设备中的能量收集与传输 15第七部分生物植入体中的能量收集与输送 18第八部分能量收集与无线传输系统的优化与评估 21

第一部分能量收集机理与技术手段关键词关键要点【能量收集机理】

1.电磁感应机理：基于法拉第定律，将电磁能转化为电能。

2.压电机理：通过材料变形产生电荷，转化机械能为电能。

3.热电效应机理：利用温差产生热电势，转化热能为电能。

【能量收集技术手段】

能量收集机理与技术手段

1.光能收集

*光伏效应：当光线照射到半导体材料上，电子会吸收光子的能量并跃迁到更高能级，产生电势差。

*光电效应：当光线照射到金属表面，电子会获得光子的能量并逸出金属，形成光电流。

技术手段：

*太阳能电池：基于光伏效应，利用太阳光产生的电能。

*光电二极管：基于光电效应，将光能转换为电能。

2.热能收集

*塞贝克效应：不同温度的导体连接处会产生温差电势，可用作热能发电。

*热电材料：具有较高塞贝克系数的材料，可将热能转换为电能。

*红外辐射：物体辐射的红外能量可通过热电效应或光伏效应转化为电能。

技术手段：

*热电发电机：基于塞贝克效应，将热能转换为电能。

*热释电传感器：利用热释电材料的温度变化产生电势差，可收集热能。

3.机械能收集

*压电效应：某些材料在外力作用下会产生电极化，产生电势差。

*静电效应：不同材料摩擦或分离会产生静电荷，可用作能量源。

技术手段：

*压电振动器：利用压电效应将机械振动转换为电能。

*静电发生器：利用静电效应收集机械能。

4.电磁能收集

*感应效应：导体在变化的磁场中会感应出电势差，产生感应电流。

*磁滞效应：磁性材料在磁化过程中能量损耗，可用作能量源。

技术手段：

*感应线圈：基于感应效应，将变化的磁场转换为电能。

*磁能收集器：利用磁滞效应收集磁能。

5.生物能收集

*人体热量：人体散发热量可通过热电效应或热释电效应转化为电能。

*生物电：植物和动物体内存在电位差，可用作能量源。

技术手段：

*人体发电机：利用人体热量或运动产生的能量发电。

*生物电池：利用生物电产生的电能。第二部分无线能量传输技术原理关键词关键要点【无线能量传输技术原理】

【电磁感应耦合】

1.使用线圈或其他电磁体作为发送端和接收端。

2.发送端产生交变磁场，感应接收端的线圈产生电流。

3.传输功率受线圈大小、匝数、距离和磁场强度影响。

【电磁共振耦合】

无线能量传输技术原理

无线能量传输（WPT）是一种无需物理连接就能将电能从发射端传输到接收端的技术。其基本原理基于电磁感应或电磁共振。

电磁感应

电磁感应式WPT利用法拉第电磁感应定律。当带有电流的线圈（发射线圈）附近有另一个线圈（接收线圈）时，发射线圈产生的磁场会感应在接收线圈中产生电势差，从而产生电流。

电磁谐振

电磁共振式WPT利用谐振原理。发射线圈和接收线圈被设计成在相同的谐振频率下工作。当发射线圈通电时，它会在周围产生谐振磁场。如果接收线圈处于这个磁场中并与发射线圈调谐，它将共振并产生电流。

基本组成部分

无线能量传输系统通常由以下组件组成：

*发射端：包括电源、功率放大器和发射线圈。

*接收端：包括接收线圈、整流器和负载。

*调谐电路：用于优化发射线圈和接收线圈之间的谐振耦合。

系统效率和距离

WPT系统的效率取决于以下因素：

*线圈之间的距离和对齐方式

*线圈的谐振频率

*电磁场环境中的其他干扰

随着线圈之间的距离增加，系统的效率会下降。此外，线圈之间的任何金属或导电材料都会衰减电磁场并降低效率。

应用

无线能量传输技术在各种应用中具有广泛的潜力，包括：

低功率应用：

*智能卡、射频识别（RFID）标签和其他小型电子设备的无线供电

*生物植入物的植入和供电

中功率应用：

*移动设备（例如，智能手机、平板电脑）的无线充电

*电动汽车的无线充电

高功率应用：

*太阳能电站的无线输电

*无人机和电动飞机的无线供电

*太空探测器和人造卫星的无线供电

优点

*无需物理连接，提高灵活性

*消除电线和插座的杂乱

*为难以接入的设备供电成为可能

*潜在提高能源效率

缺点

*系统效率随距离增加而降低

*电磁场暴露的潜在健康问题

*调谐和对齐要求

*金属和导电材料引起的干扰第三部分近场和远场能量传输特性关键词关键要点近场能量传输

1.近场能量传输是指在能量源和负载之间相距较近，且能量传输距离小于波长的情况下进行能量传输。

2.具有非辐射特性，能量通过电磁场直接耦合的方式进行传输。

3.传输效率较高，能量损耗小，适用于短距离能量传输，如智能卡、RFID识别等应用。

远场能量传输

1.远场能量传输是指在能量源和负载之间相距较远，且能量传输距离大于波长的能量传输方式。

2.具有辐射特性，能量以电磁波的形式进行传输，能量损耗较大。

3.适合于远距离能量传输，如无线充电、太阳能发电等应用。近场和远场能量传输特性

近场能量传输

近场能量传输是一种在短距离内进行能量传输的方式，其特点如下：

*能量传输距离短：近场能量传输距离通常在波长附近范围内。

*高效率：在近场条件下，能量传输效率很高，通常可以达到80%以上。

*非辐射性：近场能量传输通过电磁感应或电容耦合实现，不涉及辐射。

*耦合紧密：能量发射器和接收器之间需要保持紧密耦合状态。

*应用：近场能量传输技术广泛应用于无线充电、感应加热、医疗植入物供电等领域。

远场能量传输

远场能量传输是一种在较长距离内进行能量传输的方式，其特点如下：

*能量传输距离长：远场能量传输距离可达数米甚至数百米。

*低效率：由于能量传输过程中存在辐射损耗，远场能量传输效率通常较低，通常只有10%左右。

*辐射性：远场能量传输通过电磁波辐射实现。

*耦合松散：能量发射器和接收器之间耦合较松散，允许传输路径上存在障碍物。

*应用：远场能量传输技术应用于无线电能传输、卫星通信等领域。

近场和远场能量传输特性对比

|特性|近场能量传输|远场能量传输|

||||

|传输距离|短（λ附近）|长（数米至数百米）|

|效率|高（80%以上）|低（10%左右）|

|辐射性|非辐射性|辐射性|

|耦合|紧密耦合|松散耦合|

|应用|无线充电、感应加热、医疗植入物供电|无线电能传输、卫星通信|

能量传输距离计算

近场能量传输距离通常用波长（λ）表示，可由以下公式计算：

```

d≈λ/2π

```

远场能量传输距离通常用菲涅尔区长度（d_Φ）表示，可由以下公式计算：

```

d<sub>Φ</sub>≈(2λD<sup>2</sup>)/4π

```

其中，D为能量发射器的直径或天线尺寸。第四部分能量收集与无线传输系统设计关键词关键要点【能量采集技术】

1.能量采集技术概述：利用环境中现有的能量，如光能、热能、振动能等，将其转换成电能，为无线传感器节点等低功耗设备供电。

2.能量采集类型：光伏采集、热电采集、压电采集、电磁感应采集等，各类型具有不同的特性和适用场景。

3.趋势与前沿：高效率能量采集技术、多源能量采集技术、智能能量管理技术等。

【无线传输技术】

能量收集与传输系统设计

1.能量收集

能量收集系统将环境中的能量转化为电能，为无线传感器网络(WSN)和物联网(IoT)设备供电。常见的能量收集技术包括：

*太阳能电池：将太阳光转化为电能，适合光照充足的环境。

*热电发生器：将热梯度转化为电能，可用于工业环境或人体佩戴设备。

*压电传感器：将机械振动或压力转化为电能，适用于高振动环境。

*感应线圈：利用电磁感应，通过无线传输从外部电源接收能量。

2.能量存储

收集到的能量通常需要存储，以满足设备间歇性或持续的功率需求。常见的能量存储设备包括：

*电容器：短期能量存储，具有快速充放电能力。

*电池：长期能量存储，提供更高的能量密度。

*超级电容器：结合了电容器和电池的优点，具有较高的能量密度和功率密度。

3.能量传输

收集的能量需要从能量收集器传输到负载设备。常见的能量传输机制包括：

*电线：传统方法，提供可靠的功率传输，但受限于布线的物理限制。

*无线电波：通过无线电波传输能量，适用于短距离范围。

*红外线：通过红外光传输能量，适用于视距通信。

*超声波：通过超声波振动传输能量，适用于水下或不透明介质环境。

4.系统设计

能量收集与传输系统的设计需要考虑以下因素：

*功率需求：负载设备的功耗要求。

*能量可用性：特定应用中可用的环境能量类型和数量。

*空间和尺寸限制：设备和环境的物理限制。

*成本和可行性：不同能量收集和传输技术的成本和实现难度。

典型的系统设计过程涉及以下步骤：

*能量需求分析：确定设备的功耗要求。

*能量收集源选择：评估不同能量收集技术的适用性，并选择最合适的类型。

*能量存储设计：确定适当的能量存储器件，以满足功率要求和环境限制。

*能量传输机制选择：选择最适合目标应用的能量传输机制。

*系统优化：优化系统参数，例如能量收集效率、能量存储容量和传输范围，以实现最佳性能。

5.应用

能量收集与传输系统广泛应用于以下领域：

*无线传感器网络(WSN)：为传感器和微控制器供电。

*物联网(IoT)设备：为小型可穿戴和嵌入式设备供电。

*工业自动化：为传感器和执行器供电，实现远程监控和控制。

*医疗保健：为植入式设备和遥测设备供电。

*消费电子产品：为智能手表、耳机和智能家居设备供电。

6.技术趋势

能量收集与传输技术不断发展，涌现出新的趋势，包括：

*能量中性系统：通过优化能量效率和能量收集，实现设备的能量自持。

*自供电传感器：集成能量收集和传输功能于传感设备中。

*无线功率传输：通过无线电波或磁共振实现长距离能量传输。

*能量收集混合技术：结合多种能量收集技术，最大化能量收集效率。

*可穿戴能量收集：通过人体运动或热量收集能量，为可穿戴设备供电。第五部分无线传感器网络中的能量收集关键词关键要点振动能量收集

1.利用压电效应或电磁感应原理，将振动机械能转化为电能。

2.可用于监控机器健康状况、环境监测和医疗传感器等应用场景。

3.具有低成本、免维护和自供电的优势，适合于难以更换电池或布线不便的环境。

热电能量收集

1.利用塞贝克效应，将温差转化为电能。

2.适用于温度梯度较大的设备表面或热源附近，如汽车排气管和工业锅炉。

3.具有低能量密度和温度依赖性的特点，需要优化热电材料和结构设计。

光能能量收集

1.利用光伏效应，将光能转化为电能。

2.适用于户外或人工光源丰富的环境，如太阳能电池板和室内照明灯具。

3.具有高能量密度和易于集成优点，但受到光照条件和电池效率的影响。

射频能量收集

1.利用电磁感应原理，将无线射频信号转化为电能。

2.适用于靠近无线电波发射器或无线网络的设备，如智能手机和可穿戴设备。

3.具有射程限制和能量密度低的特点，需要优化天线设计和能量管理电路。

混合能量收集

1.结合多种能量收集技术，如振动、热电和光能，以提高能量获取效率。

2.适用于环境因素复杂的应用场景，如工业环境和无人机等移动设备。

3.需要考虑不同能量收集技术之间的互补性和系统集成复杂度。

无线能量传输

1.利用电磁场或激光技术，将电能以无线方式传输到设备。

2.可用于无线充电、医疗植入物供电和工业自动化等领域。

3.受到传输距离、功率密度和电磁安全等方面的限制，需要优化能量传输技术和系统设计。无线传感器网络中的能量收集

无线传感器网络（WSN）由大量低功耗自主传感器设备组成，广泛部署在难以布线的环境中。这些传感器通常由电池供电，但由于电池寿命有限，经常更换或为其充电会带来重大挑战。因此，为了延长WSN的使用寿命和降低维护成本，能量收集技术至关重要。

常用的能量收集技术

WSN中常用的能量收集技术包括：

*太阳能电池：从太阳辐射中收集能量，为光伏电池提供电源。

*压电能量收集：将机械振动或压力转换为电能。

*热电能量收集：将温度差转换为电能。

*射频能量收集：从附近无线电波中收集能量。

太阳能电池

太阳能电池是WSN中最广泛使用的能量收集技术之一，它们可以提供相对较高的功率输出。然而，太阳能电池的效率受到诸如可用日照、遮挡物和灰尘等因素的影响。

压电能量收集

压电能量收集装置通过机械振动或压力产生电荷。它们通常用于为小型设备（如无线传感器）供电，因为它们可以在低振动水平下产生能量。

热电能量收集

热电能量收集装置利用温度差来产生电能。它们通常用于具有较大温差的应用中，例如发动机或工业设备。

射频能量收集

射频能量收集器从附近的无线电波中收集能量。它们通常用于室内或其他存在大量无线电波的区域。

能量收集器设计考虑因素

在为WSN设计能量收集器时，应考虑以下因素：

*功率要求：根据传感器的功耗确定所需的能量收集器功率输出。

*能量收集效率：能量收集器从环境中收集能量的有效性。

*环境条件：能量收集器将部署的环境因素，例如阳光强度、振动和温度。

*尺寸和成本：能量收集器的尺寸和成本约束。

功率管理

收集的能量需要经过适当的功率管理才能为传感器供电。这包括：

*能量存储：使用电容器或电池存储收集的能量。

*功率调节：调节能量的电压和电流以匹配传感器的需求。

*负载切换：在能量可用时打开传感器，在能量不足时关闭传感器。

应用示例

能量收集在WSN中有广泛的应用，包括：

*环境监测：传感器收集有关温度、湿度和空气质量的数据。

*结构健康监测：传感器监测结构的振动和应变。

*资产跟踪：传感器跟踪资产的位置和状态。

*医疗保健：传感器收集有关患者的生命体征和其他健康相关数据。

未来展望

能量收集技术不断发展，预计未来将出现新的进展，包括：

*提高能量收集效率：通过先进材料和设计优化能量收集器的效率。

*多模态能量收集：结合来自多个来源的能量收集，以增强可靠性和鲁棒性。

*自供电传感器：开发完全由能量收集器供电的传感器，无需电池或外部电源。

随着能量收集技术的发展和完善，有望极大地提高WSN的可用性和可持续性，从而扩展其在各种应用中的潜力。第六部分可穿戴设备中的能量收集与传输关键词关键要点【可穿戴设备中的能量收集】：

1.热电效应：利用体温梯度产生电能，既环保又方便，适用于连续监控和数据采集。

2.压电效应：利用机械应力产生电能，可用于身体运动或环境振动的能量收集。

3.摩擦纳米发电机：通过纳米材料之间的摩擦产生电能，可用于纺织品和可穿戴设备的能量收集。

【无线能量传输】：

第一部分：穿戴式设备中的能量收集概述

穿戴式设备因其尺寸小、重量轻、便携性好等优势，在医疗保健、健身和娱乐等领域得到了日益普及。能量收集技术对于穿戴式设备至关重要，因为它可以延长电池寿命，甚至消除对外部电源的需要。

能量收集机制

穿戴式设备中常见的能量收集机制包括：

*压电效应：利用机械应变或振动产生电能。

*热电效应：利用温度梯度产生电能。

*磁性效应：利用磁场感应产生电能。

*太阳能：利用光电效应产生电能。

*无线射频能量获取：从环境无线射频源中获取能量。

能量存储

收集的能量需要存储在可再利用的设备中，如锂离子电池或超级电容器。能量存储设备的选择取决于特定应用的功率和能量要求。

能量管理

能量管理系统负责优化能量收集和存储过程。它包括：

*能量转换电路：将收集的能量转换为可存储的能量。

*电池管理系统：监控电池电量并防止过充和过放。

*负载管理系统：控制设备的功耗。

第二部分：穿戴式设备中的无线能量传输

无线能量传输技术可以将能量从发射器传输到接收器，而无需物理电线或电缆。这对于穿戴式设备非常有用，因为它消除了对固有线缆的需求，从而增加了设备的便携性和灵活性。

无线能量传输技术

穿戴式设备中使用的常见无线能量传输技术包括：

*近场通信（NFC）：利用磁场感应在短距离内传输能量。

*无线电力传输（WiPT）：利用电磁波在中距离内传输能量。

*射频能量获取（RFEH）：从环境射频源中获取能量。

无线能量传输效率

无线能量传输的效率取决于多个因素，包括：

*传输距离

*天线尺寸和效率

*电磁干扰

*环境因素

应用

能量收集和无线能量传输技术在穿戴式设备中有着廣泛的应用，包括：

*自供电传感器：利用压电或热电能量收集技术为传感器供电，无需电池。

*无线传感器网络：使用无线能量传输技术为分散在身体各处的传感器供电。

*可穿戴医疗设备：利用太阳能或RFEH技术为移动或便携式医疗设备供电。

*智能服装：将能量收集和无线能量传输技术集成到服装中，为嵌入式电子设备供电。

挑战与发展方向

尽管能量收集和无线能量传输技术在穿戴式设备中展现出巨大潜力，但仍面临一些挑战：

*能量转换效率低

*输出功率有限

*无线能量传输距离受限

*电磁干扰

当前的研究和发展领域集中于：

*探索新的能量收集机制和材料，以повышать转换效率。

*开发新颖的无线能量传输技术，以увеличение传输距离和功率。

*优化能量管理系统，以повышать能量利用率。

数据实例

*一项研究表明，压电能量收集器集成到鞋垫中，可以为健身追踪器供电，步行1公里可产生约10mJ的能量。

*无线射频能量获取器集成到无线耳机中，可以从附近的Wi-Fi信号中获取能量，从而延长电池寿命。

*一套无线电力传输系统可以在10厘米的距离内以20%的效率传输10mW的功率。

文献参考

*[1]Starner,T.(2005).Human-poweredwearablecomputing.ACMInteractions,12(2),44-52.

*[2]Paradiso,J.A.,&Starner,T.(2004).Energyscavengingformobileandwirelesssensornetworks.IEEEPervasivecomputing,3(4),18-27.

*[3]Galin,D.,&Berthou,L.(2018).Reviewonenergyharvestingforpoweringwearableandautonomouswirelessdevices.IEEEOpenJournalofEngineeringMedicineandBiology,1,1-22.

*[4]Zhang,X.,&He,S.(2020).Recentprogressonenergyharvestingandwirelesspowertransmissionforwearabledevices.NanoEnergy,76,104901.第七部分生物植入体中的能量收集与输送关键词关键要点植入体能量收集

1.能量收集机制多样化：包括压电、热电、电磁感应等多种能量收集机制，满足不同植入体对能量需求的多样性。

2.微型化和可集成设计：随着微电子技术的进步，能量收集器件不断微型化，可无缝集成到植入体中，减少对植入体体积和重量的影响。

3.生物相容性和安全性：能量收集材料和组件应具有良好的生物相容性，避免对组织或器官造成伤害或排异反应。

无线能量传输

1.非辐射能量传输技术：如电感耦合和磁共振耦合技术，避免电磁辐射对人体健康的影响，确保能量传输的安全性。

2.高效长距离能量传输：通过优化耦合线圈设计、提高谐振频率和采用调制技术，实现远距离、高效率的能量传输。

3.抗噪声干扰能力：考虑植入环境中的电磁噪声，采用抗噪声干扰技术，确保能量传输的稳定性和可靠性。生物植入体中的能量收集与输送

生物植入体需要可靠、持续的能量供应以维持其功能。传统的能量供应方法依赖于电池，但电池体积大、寿命短，可能需要定期更换或充电。能量收集和无线传输技术为生物植入体提供了替代的能量解决方案，克服了电池的局限性。

能量收集方法

生物植入体内可用于能量收集的方法包括：

*身体运动能：利用压电或电磁发电机将身体运动转化为电能。

*体温梯度：利用热电材料将体温梯度转化为电能。

*生物化学反应：利用酶催化或葡萄糖氧化等生化反应产生电能。

无线能量传输

无线能量传输通过电磁波将能量从外部源传输到植入体。常用的技术包括：

*电磁感应：利用电磁感应原理，在两个线圈之间传输能量。

*磁共振耦合：利用磁共振原理，提高能量传输效率。

*微波传输：利用微波辐射传输能量，穿透力强。

生物植入体能量收集与输送系统设计

生物植入体能量收集与输送系统设计涉及以下关键因素：

*能量需求：确定植入体所需能量，以优化能量收集和传输方案。

*能量收集效率：评估能量收集方法的效率，以满足植入体的能量需求。

*能量传输效率：优化无线能量传输技术的效率，最大限度地减少能量损耗。

*植入体尺寸和位置：植入体的尺寸和位置影响能量收集和传输的有效性。

*生物相容性：能量收集和传输系统必须符合生物相容性要求，不损害宿主组织。

应用实例

生物植入体能量收集与无线传输技术已在各种医疗应用中得到应用，包括：

*心脏起搏器：能量收集利用体温梯度，无线能量传输通过电磁感应实现。

*植入式胰岛素泵：能量收集利用压电效应，无线能量传输通过磁共振耦合实现。

*脑深部刺激：能量收集利用血糖氧化，无线能量传输通过微波辐射实现。

研究进展

生物植入体能量收集与无线传输技术的研究仍在不断发展，重点在于：

*提高能量收集效率，最大化植入体的能量供应。

*优化无线能量传输效率，减少能量损耗和组织加热。

*探索新的能量收集和传输方法，以适应更广泛的植入体应用。

*确保系统生物相容性，长期安全可靠地为生物植入体供能。

结论

能量收集与无线传输技术为生物植入体提供了可持续、可靠的能量解决方案，克服了电池的局限性。通过优化能量收集和传输效率，考虑植入体设计因素，并确保生物相容性，该技术有望为各种医疗应用提供创新和有效的能量供应方法。随着研究的不断进展，预计未来生物植入体能量收集与无线传输技术将进一步发展，为患者提供更先进和个性化的治疗方案。第八部分能量收集与无线传输系统的优化与评估关键词关键要点能量收集优化

1.优化能量收集器尺寸与位置：通过仿真和实验确定最佳位置和尺寸，最大化能量收集效率。

2.材料和结构创新：探索新材料和结构设计，提高能量收集效率。例如，使用纳米材料和分形结构来增强能量收集能力。

3.能量管理技术：采用高效能量管理电路和算法，优化能量存储和利用。例如，使用超级电容器和高效DC/DC转换器来最大化能量利用率。

无线传输优化

1.天线设计与优化：设计高增益、低损耗的天线，改善无线传输效率。探索新型天线拓扑结构，如谐振天线和超材料天线。

2.调制和编码技术：优化调制和编码方案，提高抗干扰能力和数据传输速率。例如，使用正交频分复用（OFDM）和极化分集技术来增强传输性能。

3.功率分