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原创│再见,电池!

2016-11-10
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细心的人会发现,现在北京和上海的街头一种橘黄色的可租赁单车多起来——这是一个目前比较火热的单车公司的初创项目,用户只需用手机扫描单车上的二维码即可开锁使用,用完后关上车锁即可,单车会自动将定位信息上传至服务器,供下一个用户搜索使用。这是一个典型的基于物联网的创新商业模式。


仔细观察这个项目时,技术控们会关注到一个技术细节——车锁无疑是整个单车“智能化”的核心,担负着车辆定位、信息交互、用户身份认证等职能,那么作为自由游走在城市之中、无“主人”定期关照的设备,它所需的电能从何而来?充电显然没条件,如果使用电池,日常的更换维护显然是个无法完成的任务。唯一一种可能,就是采用能量采集技术,随时随地从环境中获得所需的能量。


图1,上海街头采用能量采集技术的某品牌单车


该品牌单车公开的信息也证实了人们的猜测:最初的产品使用的是太阳能供电,新一代的产品则是将用户骑行过程中的机械动能转换为电能,支持电子设备的运行。这个现实的案例,让我们体会到能量采集技术发展的潜力,特别是在万物互联的时代,网络规模的增长、网络节点流动性的增强,以及一些“人力”难于触及的特殊应用场景的出现,都会演化成能量采集技术扎根的土壤。市场研究数据显示,能量采集元件市场规模将由2009年的7950万美元发展为2020年的超过40亿美元,年平均增长率超过73%。


从可利用的能量源上看,目前的能量技术分为几类:


  1. 光能:利用光伏效应,将光能转换为电能,这算是大家最为熟悉、应用最为成熟的一种能量采集技术。提高能量转化效率、缩小能量采集装置的尺寸、增强设备的鲁棒性,无疑是物联网应用对其新的要求。


  2. 热能:基于Peltier和Seebeck效应,温度差可以产生电势差。文献记载,75℃的温差可以产生高达10mW的能量,相当于30节5号电池产生的能量。这一技术更是让可穿戴设备的开发者兴奋,因为人体本身就可以作为一个热源加以利用,现有的人体皮肤接触热电设备,能在5度温差下产生10-20 μW/cm2的功率。


  3. 机械能:即将物体的形变和移动等机械运动能量转化为电能。目前这类能量采集方法主要有两类:一类是通过压电效应产生电能,另一类是利用物体振动等位移做切割磁力线的运动进而发电。随着MEMS等工艺技术的引入,机械能采集装置在微型化方面已大有长进。


  4. 射频能量:我们生活空间中充满电磁波,随着无线设备的不断增加,有人对射频能量动了心思——通过一个谐振天线,将空间中的射频能量收集起来并加以利用,WiFi热点、手机基站、广播基站等都可以成为能量源。这一方法,最初是应用于RFID标签从RFID读卡器获取能量,现在则越来越趋于民用,虽然离最终的商用还有距离,但相关的实验一直十分活跃。


  5. 静电:微型摩擦电发电机是基于摩擦起电和静电感应原理的能量采集技术,其具有简单、高效、器件结构简单、输出功率高、能量转换效率高等优点,在市场中已经能够看到这一技术“传教士”的身影。


不过,上述的种种方法只是“捕获”了能量,而这些微小的环境能量并没有被“驯服”,它们电流小、不连续、不稳定,这些“野性”只有通过整流、转化、储存等一些列电源管理手段,才能最终变为电子设备使用的稳定电源。这也是TI、Linear Tech、Spansion、Silicon Labs、Cypress等一众IC厂商角力的新战场。


也许有一天,当我们身边基于能量采集技术的“无电池”设备多起来时,我们终于可以潇洒地对着曾经束手束脚的电池,说一声“再见”了。


能量源

分布功率密度

可采集功率密度

光能

室内

0.1 mW/ cm2

10 μW/ cm2

室外

100 mW/ cm2

10 mW/ cm2

热能

人体

20 mW/ cm2

30 μW/ cm2

工业

100 mW/ cm2

1-10 mW/ cm2

机械能

人体

-

4 μW/ cm2

工业

-

100 μW/ cm2

射频

手机

0.3μW/cm2

0.1 μW/cm2

表1,主要能量采集技术



图2,能量采集系统框图


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