四大能量收集技术助力突破物联网设备供电困境

标签:能量技术
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试想一下,假设我们拥有10亿台物联网设备,每台设备的电池寿命达到3年,这就意味着平均每天需要更换近100万个电池,带来成本压力、环境危害等诸多问题。那么有没有什么新的供能方式,可以纾缓这一现象?

通过本文,您将了解到太阳能、机械能、热能、射频的能量收集技术,以及对应方案下现有的一些应用,为物联网设备供能问题提供可靠参考。

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“众所周知”的太阳能收集

有光的地方就有能量,光伏能量(太阳能)正在得到广泛应用。同时,很多光伏技术不断取得进展,如大型太阳能光伏板,还有在计算器等产品中使用的小型光伏电池。

此外,有机太阳能电池技术也有望在未来实现商用,提供同等甚至更佳的性能。部分新材料还具备柔性基板、可定制形状等特性,能够定制印刷到柔性塑料或其他材料上,以便在现有工业设计上添加新的光伏组件。

通过太阳能收集到的能量多少与光照强度、光伏材料等多种因素有关。不同技术在不同光照水平下从单位面积收集到的能量值是不同的,材料的价格也有差异。因此,光伏能量的收集需要考虑所处的光线环境、可用面积、预算限制等。

“历史悠久”的机械能量收集

小型计算器是人们非常熟悉的一种电子产品,但鲜为人知的是,早在100年前,当时的“计算器”——加法机,就已经开始依靠机械能量收集进行运转。

在机械能量收集中,我们通过机械运动使磁极在线圈中移动,形成能量爆发,继而捕捉这些能量,用于无线传输等。借助以运动来收集和释放能量的机制,我们可以使能量随产随用,而不是储存在电池中。

不过机械能量收集必须拥有对应的收集元件。一个元件往往需要3平方厘米大小,高度可以少于1厘米。如何整合元件以满足设备的能量需求,这是我们需要充分考虑的。

“略显陌生”的热能收集

热能收集可能是人们不太熟悉的一项技术。在热电设备中,当不同的温度并排放置时,电压随之产生。利用这种温差转化成的电压,我们可以实现对热能的收集。

具体到温差发电器中,我们给发电器的一端加热,另一端保持低温,从而使电路中出现电势差;再借助升压电路升高电压,满足集成电路的运行需求。通过这个原理,Atmosic和一家公司合作开发研发了一款热能收集腕表,能够仅靠收集手腕的热量,完全自主支持基本的手表功能。

需要注意的是,热能收集中我们不仅需要热源,还需要散热器来制造温差。因为热量必须在设备中不断流动,才能产生持续的电流和能量来源。

“因地制宜”的射频能量收集

对于100%占空比的射频源,可获得的最大理论功率随着移动距离增大快速下降。当移动距离超过一米时,在2.4千兆赫的情况下,即使是可获得的原始能量也小于100微瓦,另外还需考虑收集器和储存器的效率。而频段切换到915兆赫时,设备可获得较高的功率收集水平,可以在两三米、甚至五六米外收集能量。

与其他能量收集方式不同的是,射频能量收集还需要考虑各地区的通信法规限制,包括可用频率、最大输出功率等,这些限制切实影响着可收集到能量的大小。例如欧洲这方面的限制要比北美、日本更加严格,以至于通常只能获得比平时更低10db的能量。

作为全球超低功耗物联网(IoT)无线技术的创新者,Atmosic研发了超低功耗射频、射频唤醒和受控能量收集三大创新技术,以实现最低功耗,并彻底降低物联网应用对电池的依赖。例如我们可以在安全标签中应用射频唤醒技术,使其只有在靠近读卡器时才会激活。通过射频的识别唤醒,还可允许设备仅在需要进行能量收集的时候运行;或者依靠将设备放入特制的盒子、或者靠近信号源的方式,让设备在不运行的时候充电。 

当然,能量收集并非一种“全有或全无”的技术路线。我们仍然可以将电池技术与能量收集技术结合起来,通过电源管理单元优先使用收集到的能量,持续优化能耗,大幅度延长电池的使用寿命;也可以在某些情况下只使用收集到的能量,完全摆脱对电池的依赖。

Atmosic设计有一款专注于能量收集应用的超低功率蓝牙5.0芯片,具备很多有助降低能耗的特性,比如独立而灵活的唤醒接收器,能够让芯片仅在接收到特定射频讯号时唤醒,从而保持低能耗;以及集成电源管理单元,能够收集和管理多种能量输入,甚至在特定条件下实现电池的“永久”使用。

最后,Atmosic提供的受控能量收集技术为物联网和其他设备的电池、成本问题提供了多种解决方案,可选的能量收集技术种类很多,但它们也并非万能。我们仍然需要深刻理解所处的环境和具体的应用,结合预算、目标等维度,根据条件选择最合适的解决方案。

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