盤點(diǎn)國內(nèi)外那些形式多樣的能量采集技術(shù)

摘要：盡管物聯(lián)網(wǎng)受到了廣泛的關(guān)注，但其本身的發(fā)展規(guī)模卻并未達(dá)到預(yù)期，這主要是因為物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備供電面臨重大挑戰(zhàn)和電池本身的壽命限制，隨著可移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)目的增多，能量采集這一全新供能技術(shù)被認(rèn)為是最佳解決方案。

在過去的十年間里，物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備以它可實(shí)現(xiàn)的更智能、更便捷、更廣泛的連接引發(fā)了業(yè)界和大眾媒體的關(guān)注，在提高農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量、道路交通流暢、工廠生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮了積極的作用。可以說，幾乎各個(gè)行業(yè)都在采用物聯(lián)網(wǎng)傳感器和智能設(shè)備變革企業(yè)的運(yùn)營模式。鑒于物聯(lián)網(wǎng)所展現(xiàn)出的種種優(yōu)勢(shì)，Machina Research預(yù)計(jì)2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（包括蜂窩及非蜂窩）聯(lián)網(wǎng)數(shù)量將達(dá)到252億個(gè)。

物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用無疑是令人鼓舞的，但隨著全球數(shù)字化進(jìn)程加快，一個(gè)共同的痛點(diǎn)浮現(xiàn)在人們眼前：物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備的電池壽命是有限的，龐大的電池數(shù)量不僅帶來了高昂的維護(hù)成本，廢棄后的電池還會(huì)給環(huán)境保護(hù)帶來更大的負(fù)擔(dān)。

無源——環(huán)境能量采集技術(shù)

種種因素驅(qū)使著物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)一種全新的供電方式，它們能夠從自然環(huán)境中獲取能量，而并非依賴電池或其他類型所產(chǎn)生的電力，這種技術(shù)被統(tǒng)稱為能量采集技術(shù)。其原理主要是通過采集環(huán)境當(dāng)中的光能、溫差、振動(dòng)、射頻（RF）等能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能。以這種方式產(chǎn)生的電力可以存儲(chǔ)在電容器或充電電池中以維持電子系統(tǒng)正常工作。

環(huán)境中的能量形式不僅多種多樣，還可提供穩(wěn)定的采集源頭，但難點(diǎn)在于這些能量強(qiáng)度較為微弱，且呈零散狀態(tài)。因此，不同能量采集的方法各有差異，下面為大家簡(jiǎn)單介紹以上幾種主流能量的采集原理和設(shè)計(jì)思路。

光能采集

光能可謂是最為常見且應(yīng)用最廣泛的能量之一，其原理主要是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變為電能的一種技術(shù)，早期的太陽能便攜式計(jì)算器便是采用了這一供電形式。

光伏電池及其特性曲線的電氣模型

近年來，在物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備中，光伏組件的植入也頗為常見，太陽能監(jiān)控攝像機(jī)就是典型的例子。而針對(duì)光伏材料的研究，業(yè)界也有所突破，如鈣鈦礦太陽能電池和染料敏化太陽能電池等，這種超輕型電池在室內(nèi)環(huán)境中的測(cè)試表現(xiàn)優(yōu)良，轉(zhuǎn)換效率是多晶硅的3倍。

總而言之，獲取光能能量的多少，與光伏材料和光照強(qiáng)度等多種因素密切相關(guān)。目前，主流的太陽能發(fā)電材料主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅等，在轉(zhuǎn)換效率方面，單晶硅更為出色一些。另一方面，能量采集技術(shù)的效能也影響著最終獲取的能量值，同等光照度的環(huán)境下，高效能的技術(shù)將更具優(yōu)勢(shì)。

一般而言，晴天的室外光照強(qiáng)度為30000～130000lux，而室內(nèi)日光燈的光照強(qiáng)度僅為100lux，想要在光照度如此低的室內(nèi)燈光環(huán)境下實(shí)現(xiàn)能量采集和利用，本身就是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。目前，國外企業(yè)在光能能量采集領(lǐng)域，最低可實(shí)現(xiàn)在光照度100lux下進(jìn)行能量采集，而飛英思特所開發(fā)的環(huán)境能量電池采集技術(shù)，可在低至50lux的低照度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)取能，能量管理效率高達(dá)98%。可提供比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更多的能量儲(chǔ)備和更精細(xì)的能耗應(yīng)用，并以此實(shí)現(xiàn)低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端在設(shè)備壽命使用期限內(nèi)的永久續(xù)航，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、智能家居、智慧電網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域。

射頻（RF）能量收集

射頻能量無處不在的特性，使它成為目前主流的能量采集方式之一。日常生活中隨處可見的移動(dòng)電話、電視、WiFi、通信基站等設(shè)施設(shè)備都在其范疇之內(nèi)，隨著科技的發(fā)展和城市化的推進(jìn)，無線發(fā)射器的數(shù)量與日倍增，因此，利用射頻能量來為物聯(lián)網(wǎng)低功耗傳感器供能正成為趨勢(shì)，公交卡、ETC等產(chǎn)品都是射頻能的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

射頻（RF）能量采集模型

RF獲取能量的原理很簡(jiǎn)單，無線發(fā)射器通過自身的發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)，能量采集器則通過自身的接受天線接受信號(hào)，因此天線的工作頻率必須與所接收到信號(hào)的頻率相同，這也意味著能量采集器需要一個(gè)固定的無線發(fā)射器為其提供射頻能量源，此外，隨著空間距離的增大，所能采集的能量將會(huì)下降。另一方面，能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存管理的效率也是需要關(guān)注的重點(diǎn)。

隨著射頻能量收集技術(shù)的不斷進(jìn)步，在應(yīng)用方面，已逐步朝著工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)、無線供電手持設(shè)備、可穿戴式低功耗設(shè)備、RFID標(biāo)簽等方向發(fā)展。

溫差能量（TEG）采集

熱能的采集是把熱能轉(zhuǎn)換為電能，其主要原理為賽貝克效應(yīng)，熱電發(fā)生器（TEG）中的溫差可產(chǎn)生電勢(shì)，從而將熱源中的廢熱轉(zhuǎn)換為另一種能量形式——電能。這種特性決定了溫差能量采集必須具備穩(wěn)定的熱源，還需要散熱器來制造溫差，保持熱量在設(shè)備中的流動(dòng)，從而持續(xù)產(chǎn)生電流和能量。

熱電堆陣列和簡(jiǎn)單的TEG電氣模型

當(dāng)然，由于產(chǎn)生熱能條件的特殊性，也讓它擁有了抵抗絕大部分外部影響的能力。而不必像光能那樣，采集能量的多與少完全取決于設(shè)備所處環(huán)境中的光線強(qiáng)度。目前，采取溫差能（TEG）供能的方式已在可穿戴設(shè)備、工業(yè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域展開了相關(guān)應(yīng)用。

機(jī)械能量采集

機(jī)械能采集是為電子系統(tǒng)提供足夠能量的另一種方法，電磁、壓電和靜電換能器都可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。三者之中，具有較高能量密度的壓電和通過磁場(chǎng)來利用動(dòng)能產(chǎn)生電能的電磁應(yīng)用較為廣泛。

壓電采集原理圖

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，機(jī)械能采集一般是指對(duì)設(shè)備振動(dòng)的能量采集，例如工廠當(dāng)中的電動(dòng)機(jī)、變速箱、泵工作過程中都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的輕微振動(dòng)，通過壓電材料可以對(duì)這種微動(dòng)能量進(jìn)行采集和儲(chǔ)存，便能得到足以支撐低功耗物聯(lián)傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行能量。

在智能家居場(chǎng)景下，通過按壓機(jī)械結(jié)構(gòu)形成電磁切割現(xiàn)象從而產(chǎn)生電能，是自供能開關(guān)、自供能門鈴等無源產(chǎn)品常見的取能方式，憑借振動(dòng)產(chǎn)生的能量可被實(shí)時(shí)收集和釋放的方式，即可實(shí)現(xiàn)能量的隨產(chǎn)隨用。

目前，市面上大部分機(jī)械能采集方案并無儲(chǔ)能模塊，設(shè)備未采集能量時(shí)，便無法實(shí)現(xiàn)能量自給。其次，振動(dòng)能量采集元器件的尺寸普遍在3平方厘米大小，對(duì)于小體積的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求而言，這個(gè)尺寸太過龐大，且功耗也相對(duì)較高。因此，如何實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能電量儲(chǔ)存和縮小采集元器件的尺寸，成了以機(jī)械能供電的傳感器實(shí)現(xiàn)永久續(xù)航和便捷開發(fā)的關(guān)鍵。

越來越多的應(yīng)用證明，能量收集所帶來的價(jià)值是極其巨大的。不同于傳統(tǒng)有源供電（電池/布線）所面臨的電池壽命限制、部署成本及后期維護(hù)等痛點(diǎn)，由于能量采集技術(shù)的存在，未來的傳感設(shè)備完全可以從周圍的環(huán)境中采集能量，并通過電源管理單元優(yōu)化和儲(chǔ)存能量，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器在設(shè)備生命全周期內(nèi)的永久續(xù)航。

飛英思特——環(huán)境能量電池技術(shù)

作為國內(nèi)最早開始研究能量采集技術(shù)的企業(yè)，當(dāng)前，飛英思特已開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了光能、溫差（TEG）、機(jī)械能、和無線射頻（RF）等能量的復(fù)合采集和高效轉(zhuǎn)換，擁有環(huán)境能量電池核心技術(shù)和微能管理模組核心產(chǎn)品，復(fù)合型微能管理芯片EHIC也即將進(jìn)入流片階段。

環(huán)境能量電池技術(shù)原理圖

屆時(shí)，多元化的無電池解決方案將更好的滿足市場(chǎng)需求，面對(duì)下游企業(yè)，飛英思特可提供快速實(shí)施的無源產(chǎn)品開發(fā)方案和用于終端用戶的無源整體解決方案；未來隨著萬物互聯(lián)，通過環(huán)境能量電池技術(shù)開發(fā)出來的無源產(chǎn)品將幫助企業(yè)低成本、快速部署、免維護(hù)地采集更多運(yùn)營數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以高性價(jià)比、高便捷性、高度智能化的無源技術(shù)和產(chǎn)品，助力企業(yè)最大限度地提高生產(chǎn)運(yùn)營投資的價(jià)值回報(bào)。