【導讀】針對能量收集應用開發的電容器使各種類型和尺寸的設備都得到改進，其中包括從直接供電的物聯網設備到并網發電機等領域
簡介：化石燃料之外的出路在哪里？
自古以來，我們周圍環境的能量就一直存在于地球生態系統之中，人類長期以來一直在尋找各種富有想象力的方法來加以利用，例如在陽光下曬烤早期的建筑材料，利用風的能量磨碎谷物并驅動船只等等。隨著工業化進程的加深，通過使用化石燃料等能源滿足了人們隨時隨地且不斷增長的能量需求。
如今，化石燃料的弊端變得越來越明顯，其中包括有限的儲量、有害的氣體排放、日益困難且非常昂貴的開采過程、以及可能導致供應問題和價格波動的政治因素等等。因此，業界又把解決問題的出路指向我們周圍環境中的能量。
根據MarketWatch的數據，2019年至2024年，全球環境能量收集市場將以11.1％的復合年增長率增長，2024年將達到8.4億美元。
能量收集市場現狀
在最初的環境能源利用達到鼎盛時期之后，世界已經發生了一些巨大變化，這包括電力的發現以及隨后發明了加熱器和電機來處理以前直接由太陽或風能完成的任務。還有一些非常有效的技術，可以將太陽能和風能轉化為電能，包括光伏電池技術的發展和寬帶隙功率半導體的商業化應用。各種類型電容器和電池之類的價格經濟、高質量儲能技術也至關重要，這有助于能量流更加平穩，并確保人們可以根據需要來使用能量。
伴隨著許多類型電氣設備能耗的普遍降低，這些因素的共同作用，使環境能量成為一些設備和應用的可行能源，其中包括并網發電機、獨立物業設施（off-grid properties）或直接為IoT傳感器和低壓照明等設備供電的轉換器等。
并網發電機的種類很多，從大型太陽能或風電發電站等公用事業級設施到個人擁有的微型發電機等，所有這些共同構成了分布式基礎設施，可通過增加常規裝機容量，并幫助維持穩定以前從大型集中化石燃料或核動力發電設施獲得的能源，從而實現從化石燃料向可再生能源的轉變。
專門為本地負載供電的孤島式微型發電機（Islanded microgenerators）有助于減少對電網系統的需求，同時還可以減少業主的電費。這些應用不僅包括“非聯網”物業，還包括較小的負載，例如路邊電子標牌和在偏僻處安裝并無線連接的傳感器和執行器等物聯網設備。
利用周圍環境能量為設備供電非常方便，不僅能夠節省公用事業成本，還可以節省安裝電力線或派遣維護團隊定期更換電池的成本。此外，設備也不受電網停電影響。它還有一個重要優勢，即能夠以更容易和更具成本效益的方式將電力優勢普及到偏遠的農村地區。
能量收集與轉換
能量收集系統的基本組件包括能量轉換設備（例如光伏板陣列或風力渦輪機），用于從周圍環境產生電能。接下來的過程包括電力轉換、存儲和管理。電池和電容器等能量存儲設備對于系統的成功至關重要，是穩定電力質量和確保根據需要使用電能所必需的。
最終，連接的負載可以是小型設備（例如低能耗無線模塊），也可以是較大的負載（例如網絡化的系列智能傳感器或控制和監視設備），或用于LED照明網絡的低壓直流配電總線 。圖1概括地說明了每個階段的功能。
圖1：能量收集系統的主要功能模塊。
例如，在小型太陽能微型發電機中，DC-DC轉換器能夠從光伏陣列中獲取電能，并將其輸出用于為設備供電。高能量效率和電力質量是關鍵的系統性能指標，它可以最大程度地減少寶貴能源的浪費，并以正確的電壓和最小的波動為負載提供穩定的直流電源。
能量存儲的目的是用于平衡能量供給和需求，因此需要何種儲能方式在很大程度上取決于具體應用。例如，鋰離子紐扣電池之類的可充電電池通常用于小型自供電設備，這些設備可能在節電睡眠模式下很長時間，并可定期喚醒以執行諸如捕獲傳感器讀數，并將數據發送到聚合設備（aggregating device）或物聯網網關。DC/DC轉換器的輸出能夠以恒定電壓連續為電池充電，隨著時間的推移，能夠積累足夠多存儲電荷以便為低占空比設備供電。
能量收集系統的超級電容器
作為電池的替代產品，超級電容器具有簡化的充電電路、明顯更長的壽命周期、更寬的工作溫度范圍以及高峰值放電速率等優點，可用于在短時間內需要大功率的負載等應用。相對于體積而言，超級電容器電容值可能比傳統電容器高幾個數量級，并且超級電容器可與電池結合使用，能夠充分結合兩種設備類型的最佳特性。
盡管超級電容器的使用方式與可充電電池類似，但這種器件并不需要恒定的充電電壓。諸如PV電池陣列之類的能源即可從0V直接給超級電容器充電。如果PV陣列的開路電壓低于超級電容器的額定電壓，則充電電路可能會相對簡單，僅需一個阻塞二極管即可在沒有光照射到面板上時避免超級電容器向電源放電。超級電容器能夠以非常快的速度放電，因此可為負載提供高峰值功率。超級電容器可以做成特定尺寸以滿足負載的峰值功率需求，由于其等效串聯電阻（ESR）而可以造成功率損耗。
超級電容器是極化型器件，可提供各種額定電壓。KEMET公司的FS系列涵蓋了5.5V DC～12V DC的額定值，適用于備用電源和電機驅動等應用。2.7V HV系列包含從標稱電容為1法拉的12mm x 8mm直徑到200法拉的50mm x 35mm直徑徑向封裝。HV系列器件可以提供高達幾個安培的峰值電流，能夠為街道指示牌和顯示屏照明等設備供電。
電解電容器
對于能量收集之后需要立即使用的情況，并非總是需要能量存儲設備。這種情況下通常可以使用電解電容器。
KEMET的技術發展路線圖可確保鋁電解解決方案能夠滿足能量收集領域不斷變化的需求。 KEMET的High CV Screw Terminal和Snap-In系列工作溫度范圍為85°C和105°C。這些器件具有的多種特性使其非常適合于能量收集應用，例如高紋波電流能力和高出額定電壓達15％的浪涌電壓能力。對于85°C系列，額定電壓高達630V，浪涌電壓為690V。此外，直徑為77mm的Screw Terminal器件可以選配偏置端子，以防止電容器極性連接錯誤，如圖2所示。
圖2：用于能量收集的ALS電容器偏置Screw Terminals可防止極性錯誤。
計算電容器壽命
在為能量收集應用選擇電解電容器時，器件的壽命是需要考慮的關鍵參數。由于設備通常安裝在偏遠之處，并希望在零維護的情況下長期運行，而且偏遠之處安裝的設備也可能會暴露在極端溫度下，特別是高溫環境，往往會縮短電解電容器壽命。
在特定應用運行條件下，使用https://elc.kemet.com/上的壽命計算器可以估算電解電容器的理論預期壽命。通過輸入應用的占空比、環境溫度以及冷卻規定、工作電壓和紋波電流等基本信息，如圖3所示，可以根據輸入的壽命終止條件（如電容損耗、ESR變化或泄漏電流變化）來自動計算壽命。KEMET的ALS Screw Terminal電解電容器的一個優點是不需要降低電壓也可確保較長的使用壽命。
圖3：電解電容器壽命計算器能夠簡化可靠性評估。
結論
從低功率或在偏遠之處安裝的電子設備，到低電壓基礎設施、微型發電機和并網發電機等應用，收集周圍環境的能量是一種可行的解決方案。能量收集系統中所用組件的許多特性都得到了極大改進，能夠滿足應用的具體要求，堅固而高效的超級電容器可用于高速能量提供，而長壽命的電解電容器則可用于穩定直流功率傳輸。
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