形色各異的物聯(lián)網(wǎng)能量收集技術(shù)

沈臻懿

無處不在的射頻（RF）能量，是可采集的外部能源形式之一

數(shù)字化、智能化時代下，移動電話、WiFi、通信基站等終端和設(shè)備隨處可見，這就使人們所處的環(huán)境中充斥著大量可采集的無線電波

物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備的電池困境

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在人們?nèi)粘Ｉ?、工作中的?yīng)用愈加普及。通過在各類物品、裝置上所加載的傳感器等設(shè)備，人們不僅可以對海量數(shù)據(jù)予以收集和分析，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作功能。這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以其智能化、便利性等特點(diǎn)，在提升生產(chǎn)效能、提高作物產(chǎn)量、保障交通順暢等方面起到了重要作用。如今，各行各業(yè)都已引入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來變革傳統(tǒng)的運(yùn)行模式。據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Machina Research預(yù)測，2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)量將超過250億個。

作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的重要組成部分，傳感器可以采集包括位置、運(yùn)動、聲、光、熱、電、化學(xué)、生物、力學(xué)等在內(nèi)的各類信息，并實(shí)現(xiàn)智能化的數(shù)據(jù)通信。物聯(lián)網(wǎng)傳感器工作的前提，需要有相應(yīng)的電力供應(yīng)作為支持?？紤]到傳感器的自身重量與體積，其供電方式基本依賴于電池技術(shù)。然而，全球物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展迅猛的同時，也帶來了一項(xiàng)不容回避的現(xiàn)實(shí)問題。日益龐大的傳感器電池?cái)?shù)量，不僅帶來了高昂的維護(hù)費(fèi)用，且壽命有限的電池須定期更換，廢棄電池亦會給環(huán)境帶來負(fù)面影響。那么，是否有一種全新的供電模式，無須依賴電池等傳統(tǒng)電源，即可保障基數(shù)龐大的物聯(lián)網(wǎng)傳感器正常運(yùn)行呢？于是，一種名為能量收集（Energy Harvesting）的技術(shù)引起了物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)＜业母叨汝P(guān)注。這一新技術(shù)的融入，有望實(shí)現(xiàn)無電池供電的全新方案，并消除物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對于電源線或電池等硬件的依賴。

解決物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備缺電問題的能量收集技術(shù)

能量收集技術(shù)的應(yīng)用，在當(dāng)前的日常生活中已然出現(xiàn)。人們所熟悉的新能源汽車，幾乎都配有動能回收的車輛設(shè)置模式。在此模式下，車輛電機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，并將制動、減速時產(chǎn)生的動能回收，存儲于車輛電池之中。這一用于純電、混動等新能源車的動能回收技術(shù)，即可以視作為一種能量收集技術(shù)。

傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與能量收集技術(shù)一旦融合，極有可能打破電池、電源線等傳統(tǒng)供電場景，令各類智能設(shè)備進(jìn)一步衍生為無線設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的能量收集技術(shù)，是一種基于各種非常規(guī)途徑從自然環(huán)境中獲取微小能量的技術(shù)。誠然，環(huán)境中的各項(xiàng)能源形式能夠提供較為穩(wěn)定的采集源，但其能量往往較為零星，且強(qiáng)度偏弱。因此，這一能量收集裝置不同于那些能夠產(chǎn)生巨大能量的大型風(fēng)能或太陽能裝置，一般只從周圍環(huán)境中收集少量的能量。設(shè)備周邊環(huán)境中的能量方式形色各異，通過采集這些光能、熱能、射頻、振動等外部來源能量，可轉(zhuǎn)化為電能存儲在電容器中，以維系電子設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)能量收集技術(shù)的研究愿景，未來的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無須電線布設(shè)、電池更換，便可實(shí)現(xiàn)設(shè)備生命周期內(nèi)的永久運(yùn)行。

不同形式的環(huán)境能源收集

集成了能量收集技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，采集到的外部能源形式較為多元化，主要涵蓋了光能、溫差、射頻（RF）無線電以及振動等環(huán)境能源。

▲ 光能收集

太陽能不僅是人們極為熟悉的一種能源，也是被應(yīng)用得最為廣泛的能源形式之一。人們平時生活中經(jīng)常使用的太陽能計(jì)算器，即是利用了光能收集器的供電形式。所謂光能收集，即是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)化為電能。不過，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的光能收集，并非那種大型的太陽能發(fā)電技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備中，多使用光伏組件的植入。諸如太陽能監(jiān)控探頭，就是一款典型的利用光能收集的傳感器設(shè)備。同時，考慮到太陽光源是間歇性的，還需要引入超級電容器的組合，以確保能源的穩(wěn)定供應(yīng)。就主流的光能發(fā)電材料而言，多為單晶硅、非晶硅和多晶硅等?？傮w來說，光能能量收集的多寡，與光伏材料及光照強(qiáng)度等都有著直接的關(guān)聯(lián)。而在同等光照強(qiáng)度的條件下，更為高效的能量收集技術(shù)優(yōu)勢凸顯。

▲ 溫差能量收集

說起溫差能量收集的原理，就不得不提到賽貝克效應(yīng)（Seebeck Effect）。其是指因兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體之間的溫度差異，所引發(fā)兩種物質(zhì)之間電壓差的熱電效應(yīng)。溫差產(chǎn)生的電勢，可以將熱源中的廢熱轉(zhuǎn)換為電能這一能量形式。這就意味著如果能合理利用工廠或者機(jī)器設(shè)備的熱量，就可以將其轉(zhuǎn)為電能并為廠區(qū)的監(jiān)測傳感器供電。熱能產(chǎn)生的特殊性，也使其比光能更具備抵御光照強(qiáng)度等外界影響的能力。其溫差能量的收集，只需要具有穩(wěn)定的熱源，如發(fā)動機(jī)、熱水器等，并輔以散熱設(shè)備來制造溫差，以確保熱量能夠在設(shè)備中流動，從而得以持續(xù)輸出電流與能量。

▲ 射頻（RF）能量收集

數(shù)字化、智能化時代下，移動電話、WiFi、通信基站等終端和設(shè)備隨處可見。這就使人們所處的環(huán)境中充斥著大量的無線電波。這些無處不在的射頻（RF）能量，其能量收集的原理并不復(fù)雜：無線發(fā)射器借助發(fā)射天線發(fā)射信號，能量收集器則通過接收天線來接收信號，進(jìn)而將無線電波中的微小能量轉(zhuǎn)換為電能形式。由于天線工作頻率必須與信號接收頻率相同，這就要求有固定的無線發(fā)射器為能量收集器提供射頻能量來源。此外，空間距離的增加，也會導(dǎo)致收集到的能量不斷減弱。當(dāng)前，借助射頻能量為低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電已成為一種新趨勢，并逐漸向著無線手持設(shè)備、可穿戴式設(shè)備以及工業(yè)監(jiān)測設(shè)備等方向拓展。

▲ 振動能量收集

振動能量收集的原理，可以用電磁感應(yīng)或壓電效應(yīng)來解釋。僅以壓電效應(yīng)而言，當(dāng)壓力作用到壓電材料，其便會因極化的發(fā)生而產(chǎn)生電流。由于壓電材料具有將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電能的特殊性能，得以令能量收集器利用環(huán)境振動來供電。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，工廠環(huán)境下的變速箱、機(jī)械泵等設(shè)備在運(yùn)行時都會產(chǎn)生輕微振動。利用壓電材料對這一微小能量予以收集和存儲，便可滿足低功耗監(jiān)測傳感器設(shè)備的工作續(xù)航。目前，這一能量收集技術(shù)已被引入植入式醫(yī)療設(shè)備供電的研究之中?？茖W(xué)家嘗試采用能量轉(zhuǎn)換薄膜材料等設(shè)計(jì)，將動能轉(zhuǎn)換為電能，為心臟起搏器等植入式醫(yī)療設(shè)備持續(xù)供電。

通過在各類物品、裝置上所加載的傳感器等設(shè)備，人們不僅可以對海量數(shù)據(jù)予以收集和分析，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作功能

編輯：黃靈? ? yeshzhwu@foxmail.com