能量采集技术将促进传感器及物联网的快速增长

利用能量采集技术,可从周围环境中捕获能量并转化为电能。在物联网环境中,能量采集的目标不是产生大量的电能,而是在任何地方都能找到少许能量,并对其加以利用。

  据国外研究机构的数据显示,到2020年,全球物联网节点的数量预计将达到204亿个。然而,物联网的发展并非一帆风顺。其中一个挑战是让这些数十亿的物联网设备每周7天,每天24小时全天候工作,而不管它们处的具体位置和何种应用。定期更换电池肯定要增大成本和人力资源投入。此外,这些设备需要增加的能源对环境的影响也需要认真考虑。

能量采集技术将促进传感器及物联网的快速增长

在物联网环境中,能量采集的目标是,在任何能找到少许能量的地方加以利用。资料图

  目前出现的一个新兴解决方案可以应对这些挑战,这种新技术便是能量采集。利用这项技术,可以从周围环境中捕获能量并转化为电能,能量的来源可能包括多种可能途径,如环境光、振动、热量或射频等,这些能量如果不加以利用也将白白浪费掉。

  在物联网环境中,能量采集的目标不是产生大量的电能,而是在任何地方都能找到少许能量,并对其加以利用。以环境光为例,根据光源是在室外的还是在室内,收集的功率通常在10?W/cm2到10mW/cm2之间。运动产生的能量约为4μw/cm2至100μw/cm2,同样取决于能量来源(即运动是源于人还是机器)。类似,可从人体中提取的热能约为30μw/cm2,而从RF中提取的能量约为0.1μW/cm2。

  据市场研究公司IDTechEx的数据,到2022年,全球每年的能量采集收入将超过50亿美元。那么,这项技术对物联网及传感器行业有何影响呢?简单来说,能源采集技术将能使企业真正利用物联网中的能量,同时,可节省原本要花费在电池上的投入和时间。

  从本质上讲,能量采集分三个步骤:收集、调节和储存。传感器从能量源(如环境光、热、振动、压力、射频等)捕获能量并输出电能。接下来,电源管理IC调节输入电压以适应负载要求,然后将能量输送给存储设备(通常是超级电容器),该存储设备在低功率、间歇性主能源、高功率和连续负载之间起缓冲作用。

能量采集技术将促进传感器及物联网的快速增长

传感器从能量源捕获能量可输出电能,资料图

  根据主能源的不同,能量采集系统使用不同类型的传感器。例如,光伏能源收集系统可从室外和室内捕获光能,以补充甚至最终消除消费类和工业应用中的电池。同样,压电传感器在有压力或运动产生机械应力时能够产生电压,在汽车、飞机、自动化设备甚至人体振动中,这些传感器能为许多物联网设备提供能量;通过利用废热,热电传感器在两种不同金属连接处存在温差时能够产生功率等。

  目前,研究人员正在努力探索新的可能应用。例如,美国密歇根大学的科学家们开发出了一种从人体心跳获取能量的装置,从而为起搏器或植入式除颤器提供能量,这一进展可消除与关键医疗设备需要定期更换电池相关的风险和麻烦。同样,研究人员也在努力从人体热量、运动和振动中获取能量,以满足植入式物联网设备的功率需求。

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