形色各异的物联网能量收集技术

沈臻懿

无处不在的射频（RF）能量，是可采集的外部能源形式之一

数字化、智能化时代下，移动电话、WiFi、通信基站等终端和设备随处可见，这就使人们所处的环境中充斥着大量可采集的无线电波

物联网传感设备的电池困境

当前，物联网（IoT）在人们日常生活、工作中的应用愈加普及。通过在各类物品、装置上所加载的传感器等设备，人们不仅可以对海量数据予以收集和分析，还可以实现远程控制和操作功能。这些物联网设备以其智能化、便利性等特点，在提升生产效能、提高作物产量、保障交通顺畅等方面起到了重要作用。如今，各行各业都已引入物联网设备来变革传统的运行模式。据市场研究机构Machina Research预测，2025年全球物联网设备的联网量将超过250亿个。

作为物联网设备的重要组成部分，传感器可以采集包括位置、运动、声、光、热、电、化学、生物、力学等在内的各类信息，并实现智能化的数据通信。物联网传感器工作的前提，需要有相应的电力供应作为支持。考虑到传感器的自身重量与体积，其供电方式基本依赖于电池技术。然而，全球物联网数字化发展迅猛的同时，也带来了一项不容回避的现实问题。日益庞大的传感器电池数量，不仅带来了高昂的维护费用，且寿命有限的电池须定期更换，废弃电池亦会给环境带来负面影响。那么，是否有一种全新的供电模式，无须依赖电池等传统电源，即可保障基数庞大的物联网传感器正常运行呢？于是，一种名为能量收集（Energy Harvesting）的技术引起了物联网领域专家的高度关注。这一新技术的融入，有望实现无电池供电的全新方案，并消除物联网设备对于电源线或电池等硬件的依赖。

解决物联网设备缺电问题的能量收集技术

能量收集技术的应用，在当前的日常生活中已然出现。人们所熟悉的新能源汽车，几乎都配有动能回收的车辆设置模式。在此模式下，车辆电机转化为发电机，并将制动、减速时产生的动能回收，存储于车辆电池之中。这一用于纯电、混动等新能源车的动能回收技术，即可以视作为一种能量收集技术。

传感器等物联网设备与能量收集技术一旦融合，极有可能打破电池、电源线等传统供电场景，令各类智能设备进一步衍生为无线设备。物联网领域中的能量收集技术，是一种基于各种非常规途径从自然环境中获取微小能量的技术。诚然，环境中的各项能源形式能够提供较为稳定的采集源，但其能量往往较为零星，且强度偏弱。因此，这一能量收集装置不同于那些能够产生巨大能量的大型风能或太阳能装置，一般只从周围环境中收集少量的能量。设备周边环境中的能量方式形色各异，通过采集这些光能、热能、射频、振动等外部来源能量，可转化为电能存储在电容器中，以维系电子设备系统的正常运行。根据物联网能量收集技术的研究愿景，未来的物联网设备无须电线布设、电池更换，便可实现设备生命周期内的永久运行。

不同形式的环境能源收集

集成了能量收集技术的物联网设备，采集到的外部能源形式较为多元化，主要涵盖了光能、温差、射频（RF）无线电以及振动等环境能源。

▲ 光能收集

太阳能不仅是人们极为熟悉的一种能源，也是被应用得最为广泛的能源形式之一。人们平时生活中经常使用的太阳能计算器，即是利用了光能收集器的供电形式。所谓光能收集，即是利用半导体材料的光电效应，将光能直接转化为电能。不过，物联网领域的光能收集，并非那种大型的太阳能发电技术。物联网传感器设备中，多使用光伏组件的植入。诸如太阳能监控探头，就是一款典型的利用光能收集的传感器设备。同时，考虑到太阳光源是间歇性的，还需要引入超级电容器的组合，以确保能源的稳定供应。就主流的光能发电材料而言，多为单晶硅、非晶硅和多晶硅等。总体来说，光能能量收集的多寡，与光伏材料及光照强度等都有着直接的关联。而在同等光照强度的条件下，更为高效的能量收集技术优势凸显。

▲ 温差能量收集

说起溫差能量收集的原理，就不得不提到赛贝克效应（Seebeck Effect）。其是指因两种不同电导体或半导体之间的温度差异，所引发两种物质之间电压差的热电效应。温差产生的电势，可以将热源中的废热转换为电能这一能量形式。这就意味着如果能合理利用工厂或者机器设备的热量，就可以将其转为电能并为厂区的监测传感器供电。热能产生的特殊性，也使其比光能更具备抵御光照强度等外界影响的能力。其温差能量的收集，只需要具有稳定的热源，如发动机、热水器等，并辅以散热设备来制造温差，以确保热量能够在设备中流动，从而得以持续输出电流与能量。

▲ 射频（RF）能量收集

数字化、智能化时代下，移动电话、WiFi、通信基站等终端和设备随处可见。这就使人们所处的环境中充斥着大量的无线电波。这些无处不在的射频（RF）能量，其能量收集的原理并不复杂：无线发射器借助发射天线发射信号，能量收集器则通过接收天线来接收信号，进而将无线电波中的微小能量转换为电能形式。由于天线工作频率必须与信号接收频率相同，这就要求有固定的无线发射器为能量收集器提供射频能量来源。此外，空间距离的增加，也会导致收集到的能量不断减弱。当前，借助射频能量为低功耗的物联网设备供电已成为一种新趋势，并逐渐向着无线手持设备、可穿戴式设备以及工业监测设备等方向拓展。

▲ 振动能量收集

振动能量收集的原理，可以用电磁感应或压电效应来解释。仅以压电效应而言，当压力作用到压电材料，其便会因极化的发生而产生电流。由于压电材料具有将机械应力转换为电能的特殊性能，得以令能量收集器利用环境振动来供电。工业物联网领域中，工厂环境下的变速箱、机械泵等设备在运行时都会产生轻微振动。利用压电材料对这一微小能量予以收集和存储，便可满足低功耗监测传感器设备的工作续航。目前，这一能量收集技术已被引入植入式医疗设备供电的研究之中。科学家尝试采用能量转换薄膜材料等设计，将动能转换为电能，为心脏起搏器等植入式医疗设备持续供电。

通过在各类物品、装置上所加载的传感器等设备，人们不仅可以对海量数据予以收集和分析，还可以实现远程控制和操作功能

编辑：黄灵    yeshzhwu@foxmail.com