盤點國內(nèi)外那些形式多樣的能量采集技術

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

在過去的十年間里，物聯(lián)網(wǎng)傳感器設備以它可實現(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，幾乎各個行業(yè)都在采用物聯(lián)網(wǎng)傳感器和智能設備變革企業(yè)的運營模式。鑒于物聯(lián)網(wǎng)所展現(xiàn)出的種種優(yōu)勢，Machina Research預計2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設備（包括蜂窩及非蜂窩）聯(lián)網(wǎng)數(shù)量將達到252億個。

物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應用無疑是令人鼓舞的，但隨著全球數(shù)字化進程加快，一個共同的痛點浮現(xiàn)在人們眼前：物聯(lián)網(wǎng)傳感器設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成本，廢棄后的電池還會給環(huán)境保護帶來更大的負擔。

無源——環(huán)境能量采集技術

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，這種技術被統(tǒng)稱為能量采集技術。其原理主要是通過采集環(huán)境當中的光能、溫差、振動、射頻（RF）等能量，并將其轉化為電能。以這種方式產(chǎn)生的電力可以存儲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，但難點在于這些能量強度較為微弱，且呈零散狀態(tài)。因此，不同能量采集的方法各有差異，下面為大家簡單介紹以上幾種主流能量的采集原理和設計思路。

光能采集

光能可謂是最為常見且應用最廣泛的能量之一，其原理主要是利用半導體材料的光電效應而將光能直接轉變為電能的一種技術，早期的太陽能便攜式計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)傳感器設備中，光伏組件的植入也頗為常見，太陽能監(jiān)控攝像機就是典型的例子。而針對光伏材料的研究，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)境中的測試表現(xiàn)優(yōu)良，轉換效率是多晶硅的3倍。

總而言之，獲取光能能量的多少，與光伏材料和光照強度等多種因素密切相關。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，在轉換效率方面，單晶硅更為出色一些。另一方面，能量采集技術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，高效能的技術將更具優(yōu)勢。

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

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電話、電視、WiFi、通信基站等設施設備都在其范疇之內(nèi)，隨著科技的發(fā)展和城市化的推進，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，公交卡、ETC等產(chǎn)品都是射頻能的現(xiàn)實應用。

射頻（RF）能量采集模型

RF獲取能量的原理很簡單，無線發(fā)射器通過自身的發(fā)射天線發(fā)射信號，能量采集器則通過自身的接受天線接受信號，因此天線的工作頻率必須與所接收到信號的頻率相同，這也意味著能量采集器需要一個固定的無線發(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下降。另一方面，能量轉換和儲存管理的效率也是需要關注的重點。

隨著射頻能量收集技術的不斷進步，在應用方面，已逐步朝著工業(yè)設備監(jiān)測、無線供電手持設備、可穿戴式低功耗設備、RFID標簽等方向發(fā)展。

溫差能量（TEG）采集

熱能的采集是把熱能轉換為電能，其主要原理為賽貝克效應，熱電發(fā)生器（TEG）中的溫差可產(chǎn)生電勢，從而將熱源中的廢熱轉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，保持熱量在設備中的流動，從而持續(xù)產(chǎn)生電流和能量。

熱電堆陣列和簡單的TEG電氣模型

當然，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備所處環(huán)境中的光線強度。目前，采取溫差能（TEG）供能的方式已在可穿戴設備、工業(yè)監(jiān)測等領域展開了相關應用。

機械能量采集

機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械能轉化為電能。三者之中，具有較高能量密度的壓電和通過磁場來利用動能產(chǎn)生電能的電磁應用較為廣泛。

壓電采集原理圖

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域，機械能采集一般是指對設備振動的能量采集，例如工廠當中的電動機、變速箱、泵工作過程中都會產(chǎn)生相應的輕微振動，通過壓電材料可以對這種微動能量進行采集和儲存，便能得到足以支撐低功耗物聯(lián)傳感器等監(jiān)測設備的運行能量。

在智能家居場景下，通過按壓機械結構形成電磁切割現(xiàn)象從而產(chǎn)生電能，是自供能開關、自供能門鈴等無源產(chǎn)品常見的取能方式，憑借振動產(chǎn)生的能量可被實時收集和釋放的方式，即可實現(xiàn)能量的隨產(chǎn)隨用。

目前，市面上大部分機械能采集方案并無儲能模塊，設備未采集能量時，便無法實現(xiàn)能量自給。其次，振動能量采集元器件的尺寸普遍在3平方厘米大小，對于小體積的產(chǎn)品設計需求而言，這個尺寸太過龐大，且功耗也相對較高。因此，如何實現(xiàn)振動能電量儲存和縮小采集元器件的尺寸，成了以機械能供電的傳感器實現(xiàn)永久續(xù)航和便捷開發(fā)的關鍵。

越來越多的應用證明，能量收集所帶來的價值是極其巨大的。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等痛點，由于能量采集技術的存在，未來的傳感設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)化和儲存能量，以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器在設備生命全周期內(nèi)的永久續(xù)航。

飛英思特——環(huán)境能量電池技術

作為國內(nèi)最早開始研究能量采集技術的企業(yè)，當前，飛英思特已開創(chuàng)性地實現(xiàn)了光能、溫差（TEG）、機械能、和無線射頻（RF）等能量的復合采集和高效轉換，擁有環(huán)境能量電池核心技術和微能管理模組核心產(chǎn)品，復合型微能管理芯片EHIC也即將進入流片階段。

環(huán)境能量電池技術原理圖

屆時，多元化的無電池解決方案將更好的滿足市場需求，面對下游企業(yè)，飛英思特可提供快速實施的無源產(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、免維護地采集更多運營數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以高性價比、高便捷性、高度智能化的無源技術和產(chǎn)品，助力企業(yè)最大限度地提高生產(chǎn)運營投資的價值回報。