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(shù)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(huán)境中充斥著大量可采集的無線電波

物聯(lián)網(wǎng)傳感設備的電池困境

當前，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）在人們?nèi)粘Ｉ?、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(shù)據(jù)予以收集和分析，還可以實現(xiàn)遠程控制和操作功能。這些物聯(lián)網(wǎng)設備以其智能化、便利性等特點，在提升生產(chǎn)效能、提高作物產(chǎn)量、保障交通順暢等方面起到了重要作用。如今，各行各業(yè)都已引入物聯(lián)網(wǎng)設備來變革傳統(tǒng)的運行模式。據(jù)市場研究機構(gòu)Machina Research預測，2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設備的聯(lián)網(wǎng)量將超過250億個。

作為物聯(lián)網(wǎng)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(nèi)的各類信息，并實現(xiàn)智能化的數(shù)據(jù)通信。物聯(lián)網(wǎng)傳感器工作的前提，需要有相應的電力供應作為支持?？紤]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(shù)。然而，全球物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展迅猛的同時，也帶來了一項不容回避的現(xiàn)實問題。日益龐大的傳感器電池數(shù)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(huán)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(tǒng)電源，即可保障基數(shù)龐大的物聯(lián)網(wǎng)傳感器正常運行呢？于是，一種名為能量收集（Energy Harvesting）的技術(shù)引起了物聯(lián)網(wǎng)領域?qū)＜业母叨汝P(guān)注。這一新技術(shù)的融入，有望實現(xiàn)無電池供電的全新方案，并消除物聯(lián)網(wǎng)設備對于電源線或電池等硬件的依賴。

解決物聯(lián)網(wǎng)設備缺電問題的能量收集技術(shù)

能量收集技術(shù)的應用，在當前的日常生活中已然出現(xiàn)。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(zhuǎn)化為發(fā)電機，并將制動、減速時產(chǎn)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(shù)，即可以視作為一種能量收集技術(shù)。

傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設備與能量收集技術(shù)一旦融合，極有可能打破電池、電源線等傳統(tǒng)供電場景，令各類智能設備進一步衍生為無線設備。物聯(lián)網(wǎng)領域中的能量收集技術(shù)，是一種基于各種非常規(guī)途徑從自然環(huán)境中獲取微小能量的技術(shù)。誠然，環(huán)境中的各項能源形式能夠提供較為穩(wěn)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(chǎn)生巨大能量的大型風能或太陽能裝置，一般只從周圍環(huán)境中收集少量的能量。設備周邊環(huán)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(zhuǎn)化為電能存儲在電容器中，以維系電子設備系統(tǒng)的正常運行。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)能量收集技術(shù)的研究愿景，未來的物聯(lián)網(wǎng)設備無須電線布設、電池更換，便可實現(xiàn)設備生命周期內(nèi)的永久運行。

不同形式的環(huán)境能源收集

集成了能量收集技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)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(huán)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(jīng)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(zhuǎn)化為電能。不過，物聯(lián)網(wǎng)領域的光能收集，并非那種大型的太陽能發(fā)電技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)傳感器設備中，多使用光伏組件的植入。諸如太陽能監(jiān)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(wěn)定供應。就主流的光能發(fā)電材料而言，多為單晶硅、非晶硅和多晶硅等?？傮w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(guān)聯(lián)。而在同等光照強度的條件下，更為高效的能量收集技術(shù)優(yōu)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(fā)兩種物質(zhì)之間電壓差的熱電效應。溫差產(chǎn)生的電勢，可以將熱源中的廢熱轉(zhuǎn)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(zhuǎn)為電能并為廠區(qū)的監(jiān)測傳感器供電。熱能產(chǎn)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(wěn)定的熱源，如發(fā)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(xù)輸出電流與能量。

▲ 射頻（RF）能量收集

數(shù)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(huán)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(fā)射器借助發(fā)射天線發(fā)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(zhuǎn)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(fā)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(lián)網(wǎng)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(yè)監(jiān)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(fā)生而產(chǎn)生電流。由于壓電材料具有將機械應力轉(zhuǎn)換為電能的特殊性能，得以令能量收集器利用環(huán)境振動來供電。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域中，工廠環(huán)境下的變速箱、機械泵等設備在運行時都會產(chǎn)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(jiān)測傳感器設備的工作續(xù)航。目前，這一能量收集技術(shù)已被引入植入式醫(yī)療設備供電的研究之中。科學家嘗試采用能量轉(zhuǎn)換薄膜材料等設計，將動能轉(zhuǎn)換為電能，為心臟起搏器等植入式醫(yī)療設備持續(xù)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(shù)據(jù)予以收集和分析，還可以實現(xiàn)遠程控制和操作功能

編輯：黃靈? ? yeshzhwu@foxmail.com