原创能量采集 | 盘点国内外那些形式多样的能量采集技术

 2022-5-7 17:53  819 6 6 分类: 物联网

摘要：尽管物联网受到了广泛的关注，但其本身的发展规模却并未达到预期，这主要是因为物联网传感器设备供电面临重大挑战和电池本身的寿命限制，随着可移动物联网设备数目的增多，能量采集这一全新供能技术被认为是最佳解决方案。

在过去的十年间里，物联网传感器设备以它可实现的更智能、更便捷、更广泛的连接引发了业界和大众媒体的关注，在提高农业作物产量、道路交通流畅、工厂生产效率等方面发挥了积极的作用。可以说，几乎各个行业都在采用物联网传感器和智能设备变革企业的运营模式。鉴于物联网所展现出的种种优势，Machina Research预计2025年全球物联网设备（包括蜂窝及非蜂窝）联网数量将达到252亿个。

物联网的大规模应用无疑是令人鼓舞的，但随着全球数字化进程加快，一个共同的痛点浮现在人们眼前：物联网传感器设备的电池寿命是有限的，庞大的电池数量不仅带来了高昂的维护成本，废弃后的电池还会给环境保护带来更大的负担。

无源——环境能量采集技术

种种因素驱使着物联网开发一种全新的供电方式，它们能够从自然环境中获取能量，而并非依赖电池或其他类型所产生的电力，这种技术被统称为能量采集技术。其原理主要是通过采集环境当中的光能、温差、振动、射频（RF）等能量，并将其转化为电能。以这种方式产生的电力可以存储在电容器或充电电池中以维持电子系统正常工作。

环境中的能量形式不仅多种多样，还可提供稳定的采集源头，但难点在于这些能量强度较为微弱，且呈零散状态。因此，不同能量采集的方法各有差异，下面为大家简单介绍以上几种主流能量的采集原理和设计思路。

光能采集

光能可谓是最为常见且应用最广泛的能量之一，其原理主要是利用半导体材料的光电效应而将光能直接转变为电能的一种技术，早期的太阳能便携式计算器便是采用了这一供电形式。

光伏电池及其特性曲线的电气模型

近年来，在物联网传感器设备中，光伏组件的植入也颇为常见，太阳能监控摄像机就是典型的例子。而针对光伏材料的研究，业界也有所突破，如钙钛矿太阳能电池和染料敏化太阳能电池等，这种超轻型电池在室内环境中的测试表现优良，转换效率是多晶硅的3倍。

总而言之，获取光能能量的多少，与光伏材料和光照强度等多种因素密切相关。目前，主流的太阳能发电材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅等，在转换效率方面，单晶硅更为出色一些。另一方面，能量采集技术的效能也影响着最终获取的能量值，同等光照度的环境下，高效能的技术将更具优势。

一般而言，晴天的室外光照强度为30000～130000lux，而室内日光灯的光照强度仅为100lux，想要在光照度如此低的室内灯光环境下实现能量采集和利用，本身就是一项极大的挑战。目前，国外企业在光能能量采集领域，最低可实现在光照度100lux下进行能量采集，而飞英思特所开发的环境能量电池采集技术，可在低至50lux的低照度环境下实现取能，能量管理效率高达98%。可提供比竞争对手更多的能量储备和更精细的能耗应用，并以此实现低功耗物联网终端在设备寿命使用期限内的永久续航，可广泛应用于农业监测、智能家居、智慧电网等各个领域。

射频（RF）能量收集

射频能量无处不在的特性，使它成为目前主流的能量采集方式之一。日常生活中随处可见的移动电话、电视、WiFi、通信基站等设施设备都在其范畴之内，随着科技的发展和城市化的推进，无线发射器的数量与日倍增，因此，利用射频能量来为物联网低功耗传感器供能正成为趋势，公交卡、ETC等产品都是射频能的现实应用。

射频（RF）能量采集模型

RF获取能量的原理很简单，无线发射器通过自身的发射天线发射信号，能量采集器则通过自身的接受天线接受信号，因此天线的工作频率必须与所接收到信号的频率相同，这也意味着能量采集器需要一个固定的无线发射器为其提供射频能量源，此外，随着空间距离的增大，所能采集的能量将会下降。另一方面，能量转换和储存管理的效率也是需要关注的重点。

随着射频能量收集技术的不断进步，在应用方面，已逐步朝着工业设备监测、无线供电手持设备、可穿戴式低功耗设备、RFID标签等方向发展。

温差能量（TEG）采集

热能的采集是把热能转换为电能，其主要原理为赛贝克效应，热电发生器（TEG）中的温差可产生电势，从而将热源中的废热转换为另一种能量形式——电能。这种特性决定了温差能量采集必须具备稳定的热源，还需要散热器来制造温差，保持热量在设备中的流动，从而持续产生电流和能量。

热电堆阵列和简单的TEG电气模型

当然，由于产生热能条件的特殊性，也让它拥有了抵抗绝大部分外部影响的能力。而不必像光能那样，采集能量的多与少完全取决于设备所处环境中的光线强度。目前，采取温差能（TEG）供能的方式已在可穿戴设备、工业监测等领域展开了相关应用。

机械能量采集

机械能采集是为电子系统提供足够能量的另一种方法，电磁、压电和静电换能器都可以将机械能转化为电能。三者之中，具有较高能量密度的压电和通过磁场来利用动能产生电能的电磁应用较为广泛。

压电采集原理图

在工业物联网领域，机械能采集一般是指对设备振动的能量采集，例如工厂当中的电动机、变速箱、泵工作过程中都会产生相应的轻微振动，通过压电材料可以对这种微动能量进行采集和储存，便能得到足以支撑低功耗物联传感器等监测设备的运行能量。

在智能家居场景下，通过按压机械结构形成电磁切割现象从而产生电能，是自供能开关、自供能门铃等无源产品常见的取能方式，凭借振动产生的能量可被实时收集和释放的方式，即可实现能量的随产随用。

目前，市面上大部分机械能采集方案并无储能模块，设备未采集能量时，便无法实现能量自给。其次，振动能量采集元器件的尺寸普遍在3平方厘米大小，对于小体积的产品设计需求而言，这个尺寸太过庞大，且功耗也相对较高。因此，如何实现振动能电量储存和缩小采集元器件的尺寸，成了以机械能供电的传感器实现永久续航和便捷开发的关键。

越来越多的应用证明，能量收集所带来的价值是极其巨大的。不同于传统有源供电（电池/布线）所面临的电池寿命限制、部署成本及后期维护等痛点，由于能量采集技术的存在，未来的传感设备完全可以从周围的环境中采集能量，并通过电源管理单元优化和储存能量，以实现物联网传感器在设备生命全周期内的永久续航。

飞英思特——环境能量电池技术

作为国内最早开始研究能量采集技术的企业，当前，飞英思特已开创性地实现了光能、温差（TEG）、机械能、和无线射频（RF）等能量的复合采集和高效转换，拥有环境能量电池核心技术和微能管理模组核心产品，复合型微能管理芯片EHIC也即将进入流片阶段。

环境能量电池技术原理图

届时，多元化的无电池解决方案将更好的满足市场需求，面对下游企业，飞英思特可提供快速实施的无源产品开发方案和用于终端用户的无源整体解决方案；未来随着万物互联，通过环境能量电池技术开发出来的无源产品将帮助企业低成本、快速部署、免维护地采集更多运营数据和生产数据，以高性价比、高便捷性、高度智能化的无源技术和产品，助力企业最大限度地提高生产运营投资的价值回报。