能量收集是指从环境或系统本身，收集为电子设备供电所需的能量；更具体地说，热能收集是将收集自发热源的热能，转化为电能。
热能收集的好处包括：
能量收集技术可用于为各种传感器和电子设备提供自主可再生能源，使其能够利用温差产生能量。利用效率越来越高的元器件，将为充分利用热能收集的新解决方案铺路。
在可穿戴系统中，用于热能收集技术的一个有趣方法是利用热能来产生一些小电流，这实际上利用的是人体温度和环境温度之间的温度差。无论是在自然环境还是人工环境中，到处都存在温度差。利用这些温差或梯度都可以产生热电能。
根据能量守恒的物理定律，能量可能会从某种形式转变为另一种形式；因此从各种环境能源中取得能量是有可能的。
在人们生活周围的环境中，充满了温度和热量的变化。发动机废气产生的热、土壤产生的地热、钢铁厂冷却水产生的热，以及其他工业运转都是典型案例。利用热电发电机(TEG)和其他一些电子设备，就可以把热能转化为电能，还可以将之保留于储存设备中。TEG的基本原理是将热流(由温差引起)转换为电能，非常适合体积通常非常小、没有移动部件(固态)的低功耗嵌入式设备。
塞贝克效应(Seebeck effect，又称第一热电效应)是在某种材料两侧之间存在温度梯度时，电压因此产生的过程。TEG的基本组件是PN结，由热电材料P型半导体和N型半导体的单结构组成，每个结构电气串联连接，并掺杂硼(P型半导体)和磷(N型半导体)等杂质。
图1：TEG本质上就是一个具有冷(c)热(h)两个表面的珀尔帖电池(Peltier cell)。
(来源：Power Electronics News)
TEG模块的基本功能区块是几个串联的PN对，PN对在此配置中平行排列，以产生与温度梯度成比例的电压。要正常运作，设备的热(Th)侧和冷(Tc)侧必须处于不同的温度。热电材料的性能──由热电优值(thermoelectric figure of merit) ZT测得──通过以下公式计算：
公式中，S是塞贝克系数，ρ是电阻率，λ是热导率，而T是测量热电性能的温度。ZT是在给定温度梯度下可产生的电能的量：材料的ZT值越高，热电性能越好。通过增加功率因数PF (PF=S2÷ρ)，或降低热导率λ(λ=λe+λph)──λe和λph分别表示电子和声子(phononic)的贡献──都可以提高既定材料的热电性能。
塞贝克系数、电阻率和热导率是决定热过程效率的三个因素。这三个既不同却又相互依存的物理特性，共同构建卓越性能。因此，很难或不可能在不损害另一个的情况下，改进其中任何一个。唯一可以自由调节而不会对其他量产生影响的量是λph(T)；因此，缩小尺寸是提高整体效率最有效的策略。
以电池为基础的解决方案每天都在变得更有效率也更小，对于一些低功耗应用，如物联网传感器，再进一步提高电池寿命已不太可能。因此，这些设备将从能量收集技术中受益匪浅。对能量收集的兴趣引发了互补技术的发展，包括皮瓦等级超低功率微电子组件和超级冷凝器(supercondenser)。
一种优异的热电材料必须具有较强的塞贝克效应，导电性能应该尽可能地好，而导热特性则应该尽可能地差。但很难找到一种符合所有这些要求的材料，因为导电性和导热性通常是齐头并进的。
研究人员最近成功开发了一种ZT值在5~6之间的新型材料，由铁、钒、钨和铝的薄层组成，可应用于硅晶体，可望为传感器电源行业带来革命性的变化，使传感器能够从环境中自行发电。根据可用的温度梯度，TEG每平方厘米可产生20μW~10mW的功率。
目前市场上已有几款适用热能收集的集成电路，包括TI的BQ25570，能够从TEG中提取微瓦到毫瓦级的功率，还有比利时e-peas的AEM10941，以及ADI和Renesas的其他IC。BQ25570整合了电源管理系统，通过使用双电路来提高电压，同时防止电池过充或爆炸。所收集的能量则可以储存在可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容器或传统电容器中。
超级电容器是能量收集被有效应用的技术前提，它们是具有极高容量的电容器，同时具有电解电容器和可充电电池的功能特性。然而，它们每单位体积或质量的能量储存量，比电解电容器多10倍、甚至是100倍，电荷累积速度远高于充电电池的典型速度，充放电循环次数也比可充电电池更多。
当TEG板之间存在足够的温差，从而在其端子上产生电压时，热点转换程序就会开始。BQ25570包括一个升压充电器和一个纳米功率降压转换器(参考图2)，可以提取功率，功率大小根据温差而变化，从μW到mW级不等。由于内置升压转换器，输出电压随后被升压到3.3V，效率可达93%。
图2：BQ25570超低功率收集器PMIC电路图。
(来源：TI)
有两种方法可以储存能量收集来的电力：使用电容器或电池来储存电荷。当使用传统电容器或超级电容器时，有一些指南可帮助设计工程师做选择：
取决于应用，电容值可通过以下公式求得：
C = 15×VOUT×IOUT×TON
其中，VOUT是能量收集传感器的输出电压，IOUT是来自能量收集传感器的平均输出电流，TON是IC接通时间。如果传感器无法提供足够电力，储存电容器能让系统维持一定时间。
热电能量收集器的功率调节也非常重要，即使以最大功率运作，热电产生器的输出电压也很小，因为它的电压很低。当能量收集器为电池充电时，电源调节电路会保护电池避免过充。同样，当温度变化时，功率调节用于稳定输出电压。
通过许多因素，包括输入阻抗、功率控制和滤波，调节电路在能量收集系统中扮演关键角色。换能器(无论是热、太阳光电还是振动发电源)、电源调节电路、微控制器和储存设备(超级电容器)都是不可或缺的组件。
(本文编译自EDN姊妹网站EE Times美国版，参考链接：New Thermoelectric Material Has Huge IoT Potential)
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