形色各異的物聯網能量收集技術

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

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

物聯網傳感設備的電池困境

當前，物聯網（IoT）在人們日常生活、工作中的應用愈加普及。通過在各類物品、裝置上所加載的傳感器等設備，人們不僅可以對海量數據予以收集和分析，還可以實現遠程控制和操作功能。這些物聯網設備以其智能化、便利性等特點，在提升生產效能、提高作物產量、保障交通順暢等方面起到了重要作用。如今，各行各業都已引入物聯網設備來變革傳統的運行模式。據市場研究機構Machina Research預測，2025年全球物聯網設備的聯網量將超過250億個。

作為物聯網設備的重要組成部分，傳感器可以采集包括位置、運動、聲、光、熱、電、化學、生物、力學等在內的各類信息，并實現智能化的數據通信。物聯網傳感器工作的前提，需要有相應的電力供應作為支持。考慮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。然而，全球物聯網數字化發展迅猛的同時，也帶來了一項不容回避的現實問題。日益龐大的傳感器電池數量，不僅帶來了高昂的維護費用，且壽命有限的電池須定期更換，廢棄電池亦會給環境帶來負面影響。那么，是否有一種全新的供電模式，無須依賴電池等傳統電源，即可保障基數龐大的物聯網傳感器正常運行呢？于是，一種名為能量收集（Energy Harvesting）的技術引起了物聯網領域專家的高度關注。這一新技術的融入，有望實現無電池供電的全新方案，并消除物聯網設備對于電源線或電池等硬件的依賴。

解決物聯網設備缺電問題的能量收集技術

能量收集技術的應用，在當前的日常生活中已然出現。人們所熟悉的新能源汽車，幾乎都配有動能回收的車輛設置模式。在此模式下，車輛電機轉化為發電機，并將制動、減速時產生的動能回收，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，即可以視作為一種能量收集技術。

傳感器等物聯網設備與能量收集技術一旦融合，極有可能打破電池、電源線等傳統供電場景，令各類智能設備進一步衍生為無線設備。物聯網領域中的能量收集技術，是一種基于各種非常規途徑從自然環境中獲取微小能量的技術。誠然，環境中的各項能源形式能夠提供較為穩定的采集源，但其能量往往較為零星，且強度偏弱。因此，這一能量收集裝置不同于那些能夠產生巨大能量的大型風能或太陽能裝置，一般只從周圍環境中收集少量的能量。設備周邊環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，可轉化為電能存儲在電容器中，以維系電子設備系統的正常運行。根據物聯網能量收集技術的研究愿景，未來的物聯網設備無須電線布設、電池更換，便可實現設備生命周期內的永久運行。

不同形式的環境能源收集

集成了能量收集技術的物聯網設備，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，也是被應用得最為廣泛的能源形式之一。人們平時生活中經常使用的太陽能計算器，即是利用了光能收集器的供電形式。所謂光能收集，即是利用半導體材料的光電效應，將光能直接轉化為電能。不過，物聯網領域的光能收集，并非那種大型的太陽能發電技術。物聯網傳感器設備中，多使用光伏組件的植入。諸如太陽能監控探頭，就是一款典型的利用光能收集的傳感器設備。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，以確保能源的穩定供應。就主流的光能發電材料而言，多為單晶硅、非晶硅和多晶硅等。總體來說，光能能量收集的多寡，與光伏材料及光照強度等都有著直接的關聯。而在同等光照強度的條件下，更為高效的能量收集技術優勢凸顯。

▲ 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（Seebeck Effect）。其是指因兩種不同電導體或半導體之間的溫度差異，所引發兩種物質之間電壓差的熱電效應。溫差產生的電勢，可以將熱源中的廢熱轉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器設備的熱量，就可以將其轉為電能并為廠區的監測傳感器供電。熱能產生的特殊性，也使其比光能更具備抵御光照強度等外界影響的能力。其溫差能量的收集，只需要具有穩定的熱源，如發動機、熱水器等，并輔以散熱設備來制造溫差，以確保熱量能夠在設備中流動，從而得以持續輸出電流與能量。

▲ 射頻（RF）能量收集

數字化、智能化時代下，移動電話、WiFi、通信基站等終端和設備隨處可見。這就使人們所處的環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雜：無線發射器借助發射天線發射信號，能量收集器則通過接收天線來接收信號，進而將無線電波中的微小能量轉換為電能形式。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，也會導致收集到的能量不斷減弱。當前，借助射頻能量為低功耗的物聯網設備供電已成為一種新趨勢，并逐漸向著無線手持設備、可穿戴式設備以及工業監測設備等方向拓展。

▲ 振動能量收集

振動能量收集的原理，可以用電磁感應或壓電效應來解釋。僅以壓電效應而言，當壓力作用到壓電材料，其便會因極化的發生而產生電流。由于壓電材料具有將機械應力轉換為電能的特殊性能，得以令能量收集器利用環境振動來供電。工業物聯網領域中，工廠環境下的變速箱、機械泵等設備在運行時都會產生輕微振動。利用壓電材料對這一微小能量予以收集和存儲，便可滿足低功耗監測傳感器設備的工作續航。目前，這一能量收集技術已被引入植入式醫療設備供電的研究之中。科學家嘗試采用能量轉換薄膜材料等設計，將動能轉換為電能，為心臟起搏器等植入式醫療設備持續供電。

通過在各類物品、裝置上所加載的傳感器等設備，人們不僅可以對海量數據予以收集和分析，還可以實現遠程控制和操作功能

編輯：黃靈? ? yeshzhwu@foxmail.com