面向新型電力傳感器的能量收集技術

摘 要：電力傳感器作為能源互聯網的關鍵基礎設施，其持續穩定的電力供應是保證能源互聯網高效運行的前提。然而，傳統供電方式存在諸多局限。全面梳理了面向新型電力傳感器的能量收集技術，包括振動能量收集、溫差能量收集、光伏能量收集和電磁能量收集等，這些技術利用環境中的分布式能源，通過不同的轉換機理為傳感器提供電力，有望解決供電難題。闡述了各種能量收集技術的應用現狀，分析了目前所面臨的關鍵技術挑戰，如能量轉換效率低、工作條件要求苛刻、器件可靠性和集成度有待提高等；探討了未來能量收集技術的創新方向，包括開發新型高性能材料、優化器件結構設計、使用復合式收集技術等，以期實現更高的能量利用效率，滿足新型電力傳感器的實際需求，推動智能電網等相關領域的技術創新。

關 鍵 詞：能量收集技術；電力傳感器；分布式能源；振動能量收集；溫差能量收集；光伏能量收集；電磁能量收集；轉化效率；可靠性；集成度

中圖分類號：ＴＭ３４３ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０５－０５６８－１１

電力傳感器作為能源互聯網的關鍵基礎設施，在感知電網運行狀態、維護電網安全穩定等方面發揮著至關重要的作用。隨著國家智能電網建設的深入推進，電力傳感器在配電自動化、用戶側能源管理等新興應用場景中的需求也在不斷攀升。然而，電力傳感器的供電問題一直影響其廣泛的應用和發展［１］。傳統的有線供電和電池供電方式各有局限。有線供電雖然可靠性高，但對于需要頻繁部署和移動的傳感器應用場景來說，布線工作量大、維護成本高等問題嚴重限制了系統的靈活性和擴展性。而電池供電方式則面臨能量密度低、使用壽命短、更換頻繁等問題，不僅增加了運維成本，還存在安全隱患，尤其對于布置在偏遠或地下管線的傳感器來說，更換電池的成本和難度更大。這些供電問題不僅影響了電力傳感器的性能，也阻礙了智能電網等新型電力應用技術的發展［１－２］。

近年來，隨著先進制造技術和微電子技術的飛速發展，微能量收集技術已經日趨成熟，為解決電力傳感器供電難題提供了新契機。電力應用場景中豐富的風能、光能、振動能、溫差能等可再生能源，為能量收集技術在此領域的應用奠定了良好基礎。通過有效利用這些環境能量為電力傳感器供電，不僅可以解決其持續穩定供電的問題，還能實現設備的自供電和無源化，從而降低運維成本、提高設備的可靠性，甚至可以帶來一些新的應用場景［３－５］。因此，深入研究新型電力傳感器的能量收集技術，梳理其發展現狀，分析應用中的關鍵技術挑戰，對于推動電力傳感器及相關智能電網技術的創新發展具有重要意義。本文將從新型電力傳感器的特點與能量需求分析、能量收集技術在電力傳感器中的應用現狀、能量收集技術的研究難點和創新方向３個方面入手，全面梳理這一領域的研究現狀和未來趨勢，為相關技術研究提供有價值的參考。

１ 能量收集技術綜述

面向新型電力傳感器，能量收集技術被視為解決其持續穩定供電問題的有效方案，能量收集技術利用環境中各種形式的分布式可再生能源，通過特定的轉換機理，將其轉化為可直接使用的電能，為電力傳感器等設備提供持續穩定的供電。電力傳感器的應用環境中蘊藏著豐富的動能、熱能、太陽能和電磁能等，其產生條件、分布特征和能量密度各不相同，具體情況如表１所示。

針對不同類型的分布式能源，能量收集技術采用不同的轉換機理實現能量收集。振動發電利用壓電、靜電或電磁效應將機械能轉化為電能；熱電發電基于熱電效應原理，從溫差中直接獲取電能；太陽能電池通過光伏效應實現光能－電能轉換；電磁感應技術從交流電流的磁場中收集能量。上述技術分別對應力學、熱學、光學和電磁學等不同的物理學領域。通過多年發展，這些主流能量收集技術已經逐步成熟。

１.１ 振動能量收集技術

振動能量收集技術可將振動的機械能轉換為電能進而為傳感器供電，振動能量具有分布范圍廣、持續性強的特點，因此受到廣泛關注。根據能量轉換的機理不同，振動能量收集技術主要包括靜電式、壓電式和摩擦式３種類型［６］。

１.１.１ 靜電式振動能量收集技術

靜電式振動能量收集的基本機理是利用帶電運動部件在電場中的逆位移變化產生感應電流。這種方式通常需要在電容器兩極板之間施加初始電壓偏置，以產生基礎電勢差。其３種典型的結構如圖１所示，當外部振動作用于裝置時，電容器極板發生相對位移，引起電容值的變化，從而產生感應電流輸出。早在２００１年，ＭＥＮＩＮＧＥＲ等［８］研究了基于靜電轉換的能量收集裝置，包括庫侖阻尼諧振發電機和電壓阻尼諧振發電機等。靜電式振動能量收集不需要使用新型功能材料，更容易實現與微機電系統（ＭＥＭＳ）集成，且無須考慮諧振效應，具有較寬的頻帶收集范圍，但需要在電容器兩極板間施加初始電壓偏置，無法實現完全的自供電，而且其輸出特點為高電壓低電流，加工工藝比較復雜，能量轉換效率較低。

為克服以上缺點，部分研究者開始研究采用駐極體的微型靜電式振動能量收集裝置，駐極體在受到振動時會產生電荷分離進而產生電壓輸出，因此不需要額外供電。２００７年，ＳＴＥＲＫＥＮ等［９］利用微加工技術制作了這種駐極體能量收集器，可在１ｇ加速度、５００Ｈｚ振動頻率和１ＭΩ負載下輸出２ｎＷ 的功率。隨后，ＮＡＲＵＳＥ等和ＫＬＯＵＢ等［１０－１１］也相繼提出了基于ＭＥＭＳ技術的低頻靜電式微型能量收集裝置，并分別取得了４０μＷ 和５μＷ 的輸出功率。這些研究表明，利用駐極體效應可以在一定程度上解決靜電式振動能量收集裝置需要外部電源偏置的問題。總的來說，靜電式振動能量收集技術具有結構簡單、易于集成的優點，但其發電功率較低，無法完全實現自供電，因此主要應用于芯片內部的振動發電，需要進一步提高能量轉換效率，擴大應用范圍。

１.１.２ 壓電式振動能量收集技術

壓電式振動能量收集是基于壓電材料的壓電效應實現的。當壓電材料受到外部振動力作用而發生形變時，材料內部產生電極化，會在其表面產生電荷，從而產生電勢差并輸出電能。根據所受載荷方向的不同，壓電材料通常可以分為３種工作模式：受力方向垂直于極化方向的ｄ３１模式、受力方向平行于極化方向的ｄ３３模式和利用剪切方向載荷的ｄ１５模式。其中ｄ３１模式能在較小力作用下產生較大形變，因此常用于振動能量收集［１２］。壓電材料的性能參數（如能量密度、機電耦合系數和轉換效率等）的變化，直接影響振動能量收集裝置的輸出性能。目前應用較為廣泛的壓電材料包括鋯鈦酸鉛（ＰＺＴ）和氟乙烯（ＰＶＤＦ）。ＰＺＴ具有較高的能量密度和轉換效率，但易碎且在高頻振動下容易疲勞斷裂。相比之下，ＰＶＤＦ具有更好的韌性和使用壽命，但能量密度略低。

除了材料選擇，結構設計也是提升壓電納米發電機輸出性能的重要途徑。在壓電式振動能量收集裝置設計中，最為典型的懸臂梁結構如圖２所示。當懸臂梁受到振動激勵時，壓電材料隨之發生彎曲變形，從而產生電壓輸出。相比于電磁式和靜電式，壓電式振動能量收集具有結構簡單、機電轉換性能好、能量密度高等優點，因此更適用于新型電力傳感器的供電。研究人員在壓電式振動能量收集技術方面取得了不少進展。２００６年，ＦＡＮＧ等［１３］基于ＭＥＭＳ技術設計了一種微型壓電懸臂梁收集器，在１ｇ加速度和６.９Ｈｚ頻率下可輸出０.８９８Ｖ和２.１６μＷ 的電壓和功率。２００８年，ＳＨＥＮ等［１４］提出了一種基于ＭＥＭＳ的多層ＰＺＴ結構懸臂式收集器，在２ｇ加速度和４６１.１５Ｈｚ頻率下可輸出２.１５μＷ的功率。為了提高壓電式振動能量收集的性能，學者們還提出了多壓電懸臂梁、寬頻壓電收集器等結構創新［１５－１７］。此外，近年來針對可植入電子設備的應用，也出現了基于ＺｎＯ和ＰＺＴ的柔性壓電振動能量收集器［１４，１８］。總的來說，壓電式振動能量收集技術具有較高的能量密度和轉換效率，是新型電力傳感器供電的較好選擇之一。但需要進一步提高其性能，如擴大頻率響應范圍、提高集成度等，以滿足新型電力傳感器的實際需求。

１.１.３ 摩擦式振動能量收集技術

摩擦式振動能量收集是基于摩擦起電與靜電感應的耦合效應實現的。其核心結構是由２種摩擦電性不同的材料組成，在振動作用下周期性接觸分離，產生靜電感應電壓，從而將振動能量轉換為電能。這種收集方式具有結構簡單、成本低、功率密度高等優點［２０］，且可利用廣泛存在的各種振動形式，因此近年來備受關注。目前主要有接觸－分離式［２１－２２］和平面滑動式［２３－２４］２種工作模式，其工作原理如圖３所示。

２０１２年，中國科學院王中林團隊首次提出了摩擦納米發電機的概念，并開展了相關研究［２５］。隨后，國內外學者對這種新型振動能量收集方式進行了深入探索，取得了較大進展。ＣＨＥＮ等［２６］研究了基于“接觸－分離”工作模式的諧振式摩擦納米發電機，在１４.５Ｈｚ共振頻率下可輸出２８７.４Ｖ高電壓和７２６.１ｍＷ／ｍ２ 的功率密度。ＹＡＮＧ等［２７］則提出了采用浮動鐵塊的多方向寬頻摩擦納米發電機，可同時收集垂直和水平方向的振動能量。盡管摩擦式振動能量收集技術有諸多優點，但也有輸出電壓高、電流較小以及容易受環境因素影響的缺點，因此限制了其實際應用。可通過優化結構設計、選擇性能更佳的摩擦材料等方式來提高其性能。

１.１.４ 復合式振動能量收集技術

上述幾種振動能量收集技術各有優缺點，為了充分利用不同機理的優勢，研究人員提出了將２種或多種機理結合的復合式振動能量收集裝置（ＨＶＥＨ）［２８－３１］。這種復合式設計可以有效地結合壓電、電磁、摩擦納米發電等多種機理，從而提高能量收集效率和輸出特性。例如，壓電－電磁ＨＶＥＨ結合了２種機理的優勢，在同等激勵條件下，其輸出功率可較單一機理提高３８％ ～１１８％［２９－３０］。此外，還有基于壓電－電磁－摩擦納米發電的３種機理復合的ＨＶＥＨ，通過優化設計可拓寬頻帶響應，提高電學輸出性能［３１］。這種多機理復合的方式為振動能量收集技術的進一步發展提供了新的思路。總的來說，復合式振動能量收集技術是當前研究熱點之一，其有望實現更高的能量轉換效率和更寬的頻率響應范圍，為微型電子設備、傳感器等系統的自供電提供可行的解決方案。未來可能會有更多創新的復合式振動能量收集裝置出現。

１.２ 溫差能量收集技術

溫差能量收集技術基于塞貝克效應的半導體溫差發電原理來實現電能轉換，又被稱為熱電轉換技術。當熱電材料兩端存在明顯溫差時，材料內部的載流子（電子和空穴）會在溫差驅動下從熱端向冷端擴散，從而在材料兩端產生電勢差，進而為電力傳感器供電；反之在材料兩端施加電壓則會形成溫差［３２］。與傳統太陽能、風能等可再生能源相比，溫差能具有分布廣泛、穩定可靠的特點，非常適用于電力傳感器的供電需求。

目前應用于電力傳感器的熱電轉換技術主要采用熱電發電片作為能量轉換媒介。熱電片由多個π型熱電器件以電串聯熱并聯的方式組成，以提高整體的輸出電壓和功率。典型的熱電器件由以下幾個主要部分構成：

１）熱電臂。材料采用具有良好熱電性能的半導體，如低溫區采用Ｂｉ２Ｔｅ３、中溫區采用半赫斯勒合金、高溫區采用ＳｉＧｅ等。

２）導電電極。一般為銅或鋁，表面可鍍金以減小接觸電阻。

３）焊料層。采用錫膏或銀基焊料，用于連接電極和熱電臂。

４）陶瓷基板。通常采用氮化鋁或氧化鋁材料，提供機械支撐。

相比其他能量收集技術，溫差發電技術具有以下優勢：無須外部光照或風力驅動，可在各種環境下穩定工作；體積小、質量輕、結構簡單，可集成于小型傳感器設備中；無噪聲污染，綠色環保。但目前溫差發電技術仍存在一些問題有待解決。首先，現有熱電器件的能量轉換效率較低，通常只有５％ ～７％；其次，熱電器件需要兩端溫差超過５℃才能啟動工作，而電力應用場景中的溫差往往較小，很難滿足啟動條件［３２］；此外，溫差發電技術的可靠性也有待提高，因為熱電器件兩端溫差較大，會導致材料的熱膨脹系數不匹配，從而影響使用壽命［３２－３３］。溫差能量收集裝置結構如圖４所示。

目前，溫差能量收集技術正朝著提高能量轉換效率、降低啟動溫差、增強可靠性等方向不斷發展，為電力傳感器供電等應用場景提供新的解決方案。但仍需進一步完善熱電材料性能、器件結構設計以及創新性能量收集技術，以滿足實際應用需求，目前溫差能量收集技術的具體研究工作正朝以下幾個方向開展：

１）開發新型高性能熱電材料。研究人員不斷開發低溫碲化鉍、中溫半赫斯勒合金以及高溫硅鍺合金等單段式熱電材料，通過優化材料組成、晶體結構和制備工藝，顯著提升了熱電優值（無量綱）且達到１.５［３４－３６］。同時，采用梯度式熱電材料的方法，如載流子濃度梯度、多級結構梯度和分段式梯度，可大幅擴展材料的有效工作溫度范圍，并顯著提高熱電轉換效率，最高達到１２％［３７］。

２）優化溫熱電器件結構設計。熱電器件的性能和可靠性除了受材料性能影響，也受器件結構設計和制備工藝的綜合影響。針對實際應用場景，研究人員通過采用夾層、散熱翅片等措施增大熱端和冷端溫差，提高輸出功率；利用接觸界面改性技術降低接觸熱阻，改善熱量傳遞開發適合小溫差環境的器件結構等［３２］。同時還需要解決熱電片兩端材料熱膨脹系數不匹配問題。

３）創新型溫差能量收集方案。除了熱電轉換技術本身的發展，研究人員還提出了一些創新性的溫差能量收集方案。如利用溫差能量收集與熱電制冷效應的耦合來實現自供電制冷系統［３８］，滿足電力傳感器對環境調控的需求；開發適用于微小溫差環境的溫差發電技術，如利用溫差驅動的熱對流或熱管傳熱現象來降低啟動溫差條件，從而擴大應用范圍［３９－４０］。

１.３ 光伏能量收集技術

光伏能量收集技術作為一種成熟的可再生能源轉換方式，在新型電力傳感器供電方面具有廣闊的應用前景。光伏電池可以直接將光能轉換為電能，為傳感器節點提供穩定的供電。相比傳統的電池供電，光伏發電具有無須更換、無污染等優點，大大延長了傳感器的工作壽命，降低了維護成本。光伏發電系統通常包括光伏電池陣列、電力轉換電路和儲能裝置等部件，可以根據實際需求調整整體體積和質量，以適應不同類型傳感器的集成需求。但是，普通的硅基光伏電池板體積較大、模組結構較為復雜，很難直接集成到微型傳感器之中。因此，研究人員提出了多種新型集成設計方案，如將柔性的薄膜光伏電池貼附在傳感器表面或將新型高效微型光伏電池模組嵌入傳感器外殼內部等，實現了緊湊高效的集成設計［４１］。這種設計不僅便于安裝部署，還能充分利用傳感器外圍空間進行光能收集。同時，由于光伏技術無須復雜的機械傳動結構，能夠提高整個供電系統的可靠性。

需要指出的是，光伏發電存在一定的間歇性，無法持續穩定地為傳感器供電。為克服這一缺點，研究者提出了將光伏技術與其他微型發電方式相結合的混合供電方案。例如，可以將光伏電池與振動發電機、熱電發電等其他能量收集裝置集成在同一傳感器節點上，實現多種能量來源的互補供給［４１－４２］。這種混合供電系統不僅能提高整體的能量轉換效率，還能增強在不同環境條件下的供電可靠性。此外，針對傳感器節點工作環境的特點，研究人員還針對光伏電池本身的性能進行了優化創新。例如，提出了基于柔性基板的薄膜光伏電池［４３］，能夠適應傳感器設備的彎曲變形；開發了抗高溫、抗腐蝕的特種光伏電池材料，提高了在惡劣環境下的適用性［４４］。這些技術的突破為光伏能量收集在新型電力傳感器中的廣泛應用奠定了基礎。

１.４ 電磁能量收集技術

電磁能量收集技術是一種利用電磁感應原理將機械能量轉換為電能的技術，可分為傳統電磁轉換、磁致伸縮轉換和磁電復合式３種形式。傳統電磁轉換式由永磁體、線圈和彈性支撐結構組成，當結構振動時永磁體在線圈中往復運動，根據法拉第定律永磁體在線圈中產生感應電動勢實現能量轉換，該裝置結構簡單、無須外加電源、輸出電流大，但輸出電壓較低、體積大、存在電磁干擾。磁致伸縮式則利用磁致伸縮材料在振動作用下變形導致磁場變化，進而在線圈中感應出電動勢，該裝置結構緊湊、無電磁干擾，但傳統磁致伸縮材料性能一般，新型材料如Ｔｂ０.３Ｄｙ０.７Ｆｅ１.９２（Ｔｅｒｆｅｎｏｌ-Ｄ）和鎳鐵鋁合金（Ｇａｌｆｅｎｏｌ）表現更佳。２００１年，ＲＹＵ等［４５］提出了一種典型的層狀磁電復合材料，由２層ＴｅｒｆｅｎｏｌＤ和１層ＰＺＴ組成，通過電磁感應原理實現振動能量的電能轉換，磁電復合式結合磁致伸縮式與壓電式兩種機理，利用磁致伸縮材料的形變引起的磁場變化和壓電材料的應變誘發的電荷輸出共同耦合，能夠互補優勢提高整體轉換效率，這是該技術的未來發展方向。

近些年來，電磁能量收集技術取得了重要進展。在傳統電磁轉換方面，根據振動部件不同，研究者將裝置分為動鐵、動圈和鐵圈同振３種類型，有利于結構優化設計。值得關注的是，２０１０年王佩紅［４６］利用ＭＥＭＳ技術制作出了新型電磁式裝置并進行了結構上的改進，提出了一種帶有空氣通道的三明治結構的電磁式振動能量采集器的新型設計，其最大輸出功率達２１２μＷ。在磁致伸縮轉換方面，研究人員開發出Ｔｅｒｆｅｎｏｌ-Ｄ、Ｇａｌｆｅｎｏｌ和ＦｅＢＳｉ合金（Ｍｅｔｇｌａｓ）等性能優異的超磁致伸縮材料，克服了傳統材料能量密度低、轉換效率差的缺陷。基于這些新材料，提出直驅式和懸臂式２種典型結構如圖５所示，為實現高效收集奠定基礎［４７－４８］。其中，ＷＡＮＧ等［４９］基于Ｍｅｔｇｌａｓ材料設計的懸臂梁式裝置最高輸出功率為５７６μＷ；ＭＡＴＳＵＩ等［５０］利用自由落體沖擊設計的ＴｅｒｆｅｎｏｌＤ裝置最大輸出功率為１０３Ｗ；ＫＩＴＡ等［５１］設計的Ｇａｌｆｅｎｏｌ懸臂梁式結構在特定條件下最大瞬時功率達到０.７３Ｗ，轉換效率達到３５％。在磁電復合式轉換技術方面，近年來，ＢＡＩ等［５２］設計了螺旋梁的懸臂梁新型寬頻結構，降低了結構的諧振頻率；ＪＵ等［５３］基于Ｎｉ-ＭｎＧａ／ＰＺＴ磁電復合材料研究了磁浮式的能量收集裝置，推進了該技術的發展。此外，針對電磁式振動能量收集裝置的結構優化也是研究熱點之一。ＫＵＬＫＡＲＮＩ等［５４］在２００６年利用ＭＥＭＳ技術制作了硅懸臂梁平臺，并采用不同的永磁體布置方式設計了２種微型電磁式收集器，最高輸出功率分別達到７０μＷ 和８５μＷ。針對傳統單一頻帶的收集缺點，ＳＡＲＩ等［５５－５６］在２００８年采用ＭＥＭＳ工藝制作了懸臂梁陣列式電磁收集器，通過調整各梁長度實現了較寬的頻帶響應，最大輸出功率達到０.４μＷ。ＫＵＬＡＨ等［５７］還提出利用頻率轉換技術的方法，將低頻率振動轉換為較高頻率振動，以提高收集效率。

總的來說，電磁能量收集技術具有能量轉換效率高、結構簡單、易于集成、可靠性高等優點，相比其他能量收集技術，電磁式能量收集裝置的能量轉換效率通常較高，一般可達３０％ ～５０％；其裝置由永磁體、線圈和彈性結構等簡單部件組成，無須電池或其他易損耗部件，易于與監測設備集成，有利于設備的小型化和智能化，具有良好的可靠性和使用壽命。但電磁能量收集技術也存在一些不足：

１）對振動頻率敏感。電磁式能量收集裝置的工作頻率與結構參數密切相關，對特定頻段的振動能量轉換效率較高。

２）輸出功率有限。相比于其他能量收集技術，電磁式能量收集裝置的輸出功率通常較低，難以滿足某些高功率設備的需求。

３）受環境因素影響較大。電磁式能量收集裝置容易受到溫度、濕度等環境因素的影響，因此需要采取防護措施。目前聚焦于提高輸出功率、拓寬工作頻帶、增強環境適應性等方面的研究，以進一步滿足新型電力傳感器對能量供給的需求。

各種能量收集技術對比結果如表２所示。

２ 技術挑戰

能量收集技術為解決新型電力傳感器持續穩定供電問題提供了有效途徑，針對不同形式的環境能源，主要包括振動能量、溫差能量和光伏能量等。盡管面向新型電力傳感器的能量收集技術取得了顯著進展，但仍存在一些關鍵技術挑戰亟待解決。

２.１ 能量轉換效率較低

目前各類能量收集技術的能量轉換效率普遍較低，最高約為１０％［３７］，這嚴重限制了能量收集技術在電力傳感器供電中的應用推廣。造成能量轉換效率偏低的主要原因包括：

１）材料性能限制。現有的能量轉換材料，如壓電陶瓷、熱電材料、摩擦電材料等，其機電耦合系數、熱電性能系數等關鍵參數還有待進一步提升。材料性能將直接影響了能量收集裝置的能量轉換效率。

２）器件結構優化不足。現有的能量收集裝置在結構設計、優化方面還有很大提升空間。如何實現能量轉換機理、材料特性和結構優化的有機結合，是提高能量轉換效率的關鍵。

３）能量管理電路需優化。能量收集裝置與負載之間通常需要能量管理電路來實現有效的能量傳輸和轉換。目前這方面的技術還不成熟，能量損耗較大，限制了整體的能量轉換效率。

２.２ 適應性和可靠性差

不同電力傳感器應用場景的環境條件各不相同，如振動特性、溫差等差異較大。現有的能量收集裝置往往只能適用于特定環境，適應性有限。此外，材料疲勞、環境腐蝕等因素也會影響能量收集裝置的使用壽命和可靠性。

１）環境適應性差。電力傳感器可能部署在地下管線、高空變電站等復雜多變的環境中，溫度、濕度、振動頻率等條件差異較大，而現有的能量收集技術往往只針對特定條件進行優化設計，無法兼顧不同應用場景的需求。

２）使用可靠性差。材料疲勞、環境腐蝕等因素會顯著影響能量收集裝置的使用壽命和可靠性，尤其對布置在偏遠地區或地下管線等難以維護的傳感器來說影響更大。

３）系統穩定性差。能量收集裝置輸出的電能通常存在電壓波動、功率脈動等情況，這會對電力傳感器的正常工作產生干擾。

２.３ 與傳感器系統的集成度差

能量收集裝置與電力傳感器的集成設計仍需進一步優化，以實現體積小、質量輕、結構緊湊等目標，充分利用有限的空間資源。同時還要考慮兩者功耗、電壓匹配等因素，提高整體供電系統的性能。

１）體積質量優化亟待實現。現有的能量收集裝置尺寸較大，且與傳感器分開布置，嚴重降低了其在實際應用中的靈活性和集成度。需要通過微納制造技術，開發集成度更高的能量收集模塊，與傳感器芯片緊湊集成，實現大幅縮小裝置的體積、質量。

２）電氣特性匹配有待優化。傳感器系統對供電的電壓、電流有特定需求，能量收集裝置輸出的電能特性通常難以直接滿足，因此需要采用高效的電能調理電路，實現電氣特性的優化匹配，確保能量供給與傳感器需求的完美契合。

３）功耗平衡亟待把握。現有的能量收集技術通常無法完全彌補傳感器的全部功耗，還需依賴輔助電源支持。需要進一步降低傳感器自身的功耗，同時提高能量收集效率，實現兩者的動態功耗平衡，最終實現完全自供電。

２.４ 特殊場景應用性低

現有的能量收集技術主要針對常規的溫度、濕度、振動等環境條件，而對于高溫、高濕、腐蝕等惡劣環境下的電力傳感器供電需求，仍缺乏適用的解決方案。

１）高溫環境供電亟待突破。電力傳感器可能部署在變電站、發電廠等高溫場所，常規的壓電、熱電等能量收集技術在高溫下性能會大幅下降。

２）抗腐蝕供電亟待解決。一些電力傳感器部署于地下管線、海洋環境等，存在嚴重的腐蝕問題。現有的能量收集裝置通常無法抵御腐蝕性環境的侵害。

３）抗沖擊供電亟待實現。針對一些特種傳感器，如裝備在運載火箭、航天器等飛行器上的傳感器，需要能承受較大的振動沖擊，而現有的能量收集技術在抗沖擊性能方面還比較薄弱。

４）低功耗供電亟待提升。一些低功率傳感器，如無線傳感器節點，對供電功率有嚴格要求，但現有的能量收集技術普遍還無法滿足這類低功耗設備的供電需求。

３ 未來發展趨勢

針對目前遇到的關鍵技術挑戰，面向新型電力傳感器的能量收集技術可能會朝以下幾個方向發展。

３.１ 開發高性能材料和器件

通過優化材料組分、結構設計等手段，進一步提高不同能量轉換機理的能量轉換效率，如提高壓電材料的耦合系數、開發高熱電優值的熱電材料等。同時還要增強這些材料的耐高溫、抗疲勞等性能，提高能量收集裝置的可靠性。例如，研究人員近年來開發了一種基于聚合物基復合材料的壓電能量收集器件，其峰值功率密度可達到１０ｍＷ／ｃｍ３，是目前商用壓電陶瓷的１０倍以上［５８］。這種高性能的壓電復合材料為提高能量轉換效率奠定了基礎。未來，通過材料基因組工程等手段，可能會發現更優異的能量轉換材料，進一步推動能量收集技術的性能提升。同時，器件結構的創新優化也是提高效率的關鍵著力點，如研發新型的換能機構、能量管理電路等。

３.２ 融合多種能量收集機理

通過將振動能量收集、溫差能量收集、光伏能量收集等不同技術集成在同一傳感器節點上，這些技術發揮各自的優勢，構建高效穩定的混合供電系統，以應對復雜多變的環境條件。例如，有研究者提出了一種集成壓電、熱電和光伏效應于一體的混合能量收集裝置［５９］。該裝置可同時收集振動、溫差以及光照等各類環境能量，并通過智能電路進行動態優化管理，實現綜合供電。這種融合創新的方式，不僅能提高總體的能量轉換效率，還能增強系統的環境適應性。依托先進的微納制造和集成電路技術，將不同機理的能量收集模塊集成在同一平臺上，構建智能、高效的混合供電系統。

３.３ 提升系統集成度

通過先進的微納制造技術，將能量收集模塊與傳感器芯片緊湊集成，進一步減小裝置的體積、質量，提高其可靠性。同時優化能量管理電路，確保能量供給與傳感器需求的完美匹配。例如，美國麻省理工學院的研究團隊最近報告了一種集成了壓電能量收集和信號調理電路的單片硅芯片［６０］。該芯片將壓電換能器與電子電路高度集成在同一硅基底上，大幅縮小了整體尺寸。通過優化設計，該芯片能從微小的機械振動中收集高達１ｍＷ 的電能，滿足低功耗傳感器的供電需求。未來，可以預見集成度更高的能量收集－傳感一體化器件會不斷問世。通過將能量收集模塊、信號調理電路、傳感元件等集成在同一芯片上，不僅能顯著提高供電可靠性，還能大幅簡化系統結構、降低成本。這種高度集成的供電解決方案，是面向新型電力傳感器的發展趨勢之一。

３.４ 拓展應用場景

應對高溫、高濕、腐蝕等惡劣環境條件，研究人員應開發適用于特種傳感器的能量收集裝置，滿足其供電需求。如開發高溫耐受的熱電發電技術、抗腐蝕的摩擦納米發電機等。美國馬德里大學的研究人員最近開發了一種基于鈣鈦礦材料的高溫熱電發電技術［６１］。該技術可在７００℃以上的高溫環境下穩定運行，為高溫傳感器提供可靠供電。此外，青島大學的研究團隊則提出了一種基于水凝膠復合材料的摩擦納米發電機，在酸堿腐蝕環境下仍能保持良好輸出性能［６２］。通過材料、結構、集成等方面的創新，使能量收集裝置能夠在苛刻環境中長期穩定工作，為電力傳感器在特殊應用場景中的部署提供強有力的支撐。

通過上述技術創新，面向新型電力傳感器的能量收集技術將在提高能量轉換效率、增強適應性與可靠性、實現緊湊集成以及拓展特殊應用場景等方面取得重大突破，為電力傳感器及其相關智能電網應用技術的發展注入新動力，推動相關領域的創新發展。

４ 結束語

本文全面梳理了面向新型電力傳感器的幾種主要能量收集技術及其研究進展。振動能量收集技術根據不同的轉換機理，可分為靜電式、壓電式和摩擦式等。其中，壓電式憑借較高的能量密度和轉換效率被廣泛研究；而摩擦納米發電機因其結構簡單、功率密度高而備受關注。此外，復合式收集器有望結合多種機理的優勢，實現更高的轉換效率。溫差能量收集技術利用熱電效應原理，以溫差發電片為主要轉換器件，其無須外部驅動，體積小巧且綠色環保，非常適合電力傳感器的應用場景。光伏能量收集技術則直接利用光電效應將太陽能轉化為電能，是較為成熟的收集途徑。電磁能量收集技術從電磁感應的角度收集來自電流傳輸線路等的電磁能，也為電力設備供電提供了一種新的思路。雖然上述技術取得了一定進展，但仍面臨能量轉換效率低、工作條件要求苛刻、器件可靠性和集成度不高等挑戰。未來需要從材料、結構和系統層面持續創新，提高整體收集和轉換性能，并根據應用場景選擇合適的技術路線，最終為新型電力傳感器提供可靠的能量支撐。

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（責任編輯：楊 樹 英文審校：尹淑英）

特邀專家 吳翊，男，１９７５年１１月生，１９９８年本科畢業于西安交通大學，２００２年碩士畢業于沈陽工大電機與電器專業，２００６年博士畢業于西安交通大學。現為西安交通大學電氣學院教授、博士生導師，研究方向為電力電子與直流開斷技術、熱電半導體技術。入選國家杰青、教育部新世紀人才計劃、陜西省科技創新領軍計劃；主持國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃（課題）等國家級項目１０多項；擔任國際“電流零點俱樂部成員”委員、“氣體放電及其應用”國際學術組織科學委員會委員、陜西省高電壓大電流測試技術及裝備工程實驗室副主任；出版專著２部；作國際會議特邀報告１２次；獲國家技術發明二等獎１項、教育部自然科學一等獎１項、陜西省技術發明一等獎２項。