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    什么樣的能量收集系統(tǒng)更適合可穿戴類應(yīng)用?

    發(fā)布時(shí)間:2021-08-09 責(zé)任編輯:lina

    【導(dǎo)讀】一些可穿戴設(shè)備制造商不認(rèn)為能量收集(任何形式)是有意義的設(shè)計(jì)。為了追求自供電的可穿戴設(shè)備,電子開(kāi)發(fā)人員正在尋求改變?nèi)缃襁@種狀況。
     
    一些可穿戴設(shè)備制造商不認(rèn)為能量收集(任何形式)是有意義的設(shè)計(jì)。為了追求自供電的可穿戴設(shè)備,電子開(kāi)發(fā)人員正在尋求改變?nèi)缃襁@種狀況。
     
    今年早些時(shí)候,瑞士智能手表制造商 SEQUENT 發(fā)布了一款使用“專利自主微機(jī)械運(yùn)動(dòng)技術(shù)”的完全自供電智能手表,實(shí)際上尋求拋棄依賴充電器的可穿戴設(shè)備的不僅僅是 SEQUENT。
     
    什么樣的能量收集系統(tǒng)更適合可穿戴類應(yīng)用?
     
    SEQUENT 將其智能手表的使用壽命與市場(chǎng)上其他常見(jiàn)的可穿戴設(shè)備進(jìn)行了比較。圖片由 SEQUENT 提供
     
    近年來(lái),工程師在為可穿戴設(shè)備供電方面變得富有創(chuàng)造力,為可持續(xù)和自供電設(shè)備創(chuàng)新了新方法。然而,能量收集帶來(lái)的一個(gè)首要問(wèn)題是能源投資回報(bào)率 (EROI) 低。 EROI 的概念(由系統(tǒng)生態(tài)學(xué)家 Charles A.S. Hall 在 1980 年代引入)是 EE 所熟悉的概念:能源只有在您獲得的能量大于投入的能量時(shí)才有用。
     
    在可穿戴設(shè)備的背景下,EROI 特別提到了收集到的能量與投入到收集器中的能量之間的比率。毫無(wú)疑問(wèn),研究人員正在追求用于自充電可穿戴設(shè)備的高 EROI 采集器——許多人已經(jīng)轉(zhuǎn)向人類和環(huán)境能源。
     
    能量收集器——以及 EROI 的探討
     
    市場(chǎng)上有大量的能量收集方法:太陽(yáng)能、射頻、熱能、機(jī)械和化學(xué)等。這些方法中的每一種都有利有弊,尤其是在能源投資回報(bào)方面。以下是每種收割技術(shù)的簡(jiǎn)要概述,以及可能支持未來(lái) EROI 進(jìn)步的研究。
     
    太陽(yáng)能收集器
     
    EROI 可穿戴設(shè)備最具吸引力的選擇之一是太陽(yáng)能收集器。當(dāng)超過(guò)某個(gè)能量閾值的光照射到選定材料的表面時(shí),先前與該材料結(jié)合的電子就會(huì)被釋放。這個(gè)過(guò)程稱為光電效應(yīng),是太陽(yáng)能發(fā)電的基礎(chǔ)。
     
    光伏可用于為可穿戴設(shè)備供電,因?yàn)樗鼈儾粫?huì)消耗太多電流并且在相當(dāng)?shù)偷碾妷核较逻\(yùn)行。太陽(yáng)能的主要缺點(diǎn)是無(wú)法在室內(nèi)、夜間或陰天運(yùn)行——這個(gè)問(wèn)題通常通過(guò)將這項(xiàng)技術(shù)與電池或超級(jí)電容器配對(duì)來(lái)解決。
     
    最近,澳大利亞國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn),超薄二維材料可以通過(guò)“扭曲”材料兩層之間的角度將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能。
     
    什么樣的能量收集系統(tǒng)更適合可穿戴類應(yīng)用?
     
    據(jù)說(shuō)這種材料比人的頭發(fā)薄數(shù)百倍。圖片由澳大利亞國(guó)立大學(xué)和 PV 雜志提供
     
    通過(guò)進(jìn)一步的研究,科學(xué)家們相信,當(dāng)這種材料涂在物體表面時(shí),可以讓設(shè)備為自己供電——從手機(jī)屏幕到擋風(fēng)玻璃。
     
    射頻能量收集器
     
    射頻能量收集器使用專門調(diào)諧的天線將無(wú)線電和微波頻段內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能。
     
    與我們的手機(jī)、計(jì)算機(jī)和其他電子設(shè)備之間的每種類型的數(shù)據(jù)傳輸都使用某種屬于無(wú)線電頻譜的信號(hào)。然而,由于來(lái)源的接近和范圍,可以從隨機(jī)來(lái)源收集的能量極低。為了正確地為設(shè)備供電,發(fā)射器需要有針對(duì)性、靠近或非常大的無(wú)線電。
     
    蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員認(rèn)為,收集到的射頻能量不足以為可穿戴設(shè)備中的單個(gè)組件供電,如下圖所示。
     
    什么樣的能量收集系統(tǒng)更適合可穿戴類應(yīng)用?
     
    可穿戴設(shè)備中特定組件的典型電流要求。圖片由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和 Research Gate 提供
     
    然而,并非所有研究人員都同意以上看法。例如,以色列初創(chuàng)公司 Wiliot 最近因籌集 2 億美元?jiǎng)?chuàng)建射頻能量收集傳感器而成為頭條新聞。Wiliot 的傳感器包含一個(gè)低功耗藍(lán)牙 Arm MCU,據(jù)說(shuō)可以從周圍的 RF 信號(hào)中汲取能量。這款 1 MHz Cortex-M0+ 芯片具有溫度、接近度和濕度傳感器,以及 1 Mbits 的 NVM 和一個(gè)自電源管理單元。
     
    熱能收集器
     
    熱電設(shè)備通過(guò)半導(dǎo)體換能器將熱量——或者更準(zhǔn)確地說(shuō),溫差——直接轉(zhuǎn)化為電能。可穿戴設(shè)計(jì)人員經(jīng)常利用熱電效應(yīng)為小型可穿戴設(shè)備供電,因?yàn)槿梭w有效地充當(dāng)了持續(xù)的熱源。
     
    但一些科學(xué)家正在尋找來(lái)自烤箱和工廠煙囪等機(jī)器的多余熱量來(lái)獲取熱能。科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員最近設(shè)計(jì)了一種解決方案,可以使用整流天線從環(huán)境中吸收熱量。這些設(shè)備的工作原理類似于汽車天線,不同之處在于整流天線不是將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為聲音,而是捕獲光和熱并將其轉(zhuǎn)化為能量。
     
    什么樣的能量收集系統(tǒng)更適合可穿戴類應(yīng)用?
     
    CU Boulder 開(kāi)發(fā)的“整流天線”的圖像。圖片由 CU Boulder Today 提供
     
     
    雖然常規(guī)天線需要電子穿過(guò)絕緣體來(lái)收集能量,但研究人員的設(shè)備使用兩個(gè)絕緣體來(lái)形成所謂的“共振隧穿”,這是一種電子以恰到好處的能量撞擊量子阱以穿過(guò)兩個(gè)絕緣體的過(guò)程。
     
    研究人員希望這種所謂的突破最終可以大規(guī)模使用——甚至可以捕獲從地球輻射到外太空的能量。
     
    機(jī)械能量收集器
     
    研究人員探索了多種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的方法。對(duì)于可穿戴設(shè)備,壓電是一種被廣泛研究的能量收集方法。這種方法使用壓電元件,當(dāng)對(duì)它們施加一定的機(jī)械應(yīng)力時(shí),壓電元件可以積累電荷。
     
    這些元素可以嵌入鞋子等衣服或安裝在心臟周邊等器官上,通過(guò)不同類型的肌肉運(yùn)動(dòng)不斷進(jìn)行自供電,這些運(yùn)動(dòng)的范圍從隨意運(yùn)動(dòng)到無(wú)所事事的人體功能。
     
    最近,印度科學(xué)家創(chuàng)造了壓電分子晶體,可在機(jī)械沖擊下產(chǎn)生能量。
     
    什么樣的能量收集系統(tǒng)更適合可穿戴類應(yīng)用?
     
    壓電分子晶體實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。圖片由《印度斯坦時(shí)報(bào)》提供
     
     
    使用這些晶體,研究人員已經(jīng)找到了一種方法,讓損壞的組件在裂紋連接處產(chǎn)生電荷。當(dāng)受損部件相互吸引時(shí),該設(shè)備可以在斷裂點(diǎn)自主修復(fù)自身。
     
    研究人員解釋說(shuō):“該材料可能會(huì)應(yīng)用于高端微芯片、高精度機(jī)械傳感器、執(zhí)行器、微型機(jī)器人等。對(duì)此類材料的進(jìn)一步研究可能最終實(shí)現(xiàn)智能小工具的自我修復(fù)裂縫或劃痕功能的開(kāi)發(fā)。”
     
    化學(xué)能量收集器
     
    化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能最常與電池相關(guān)。這是因?yàn)殡姵厥怯删哂刑厥饣瘜W(xué)特性的材料制成的,這些材料使它們能夠保持和釋放電流。
     
    一些研究人員正在開(kāi)發(fā)所謂的生物燃料電池,以利用人類的汗水發(fā)電。該技術(shù)釋放電能代替內(nèi)部電池化學(xué)物質(zhì)。通過(guò)將可穿戴設(shè)備的電路直接連接到人體皮膚,這種化學(xué)過(guò)程可以讓可穿戴設(shè)備不斷地從用戶那里獲取能量并獨(dú)立地為自己供電。
     
    什么樣的能量收集系統(tǒng)更適合可穿戴類應(yīng)用?
     
    由生物燃料電池自供電的設(shè)備示意圖。圖片由Joule提供
     
    在睡眠期間收集數(shù)百 mJ 的能量,這種類似創(chuàng)可貼的設(shè)備被證明比其他皮膚收集器更有效。研究人員還在生物燃料電池下方集成了壓電發(fā)電機(jī),以在用戶將手指壓在上面時(shí)獲得額外的機(jī)械能。該研究提出,這種能量收集可穿戴設(shè)備可能有助于為電致變色顯示器和傳感器供電,提供“非常高的能量投資回報(bào)”。
     
    自供電可穿戴設(shè)備的工程挑戰(zhàn)
     
    在短短幾年內(nèi),從智能手表和智能眼鏡到健身追蹤器和醫(yī)療監(jiān)視器的可穿戴設(shè)備已成為許多人生活中不可或缺的一部分。
     
    隨著對(duì)嵌入式能量收集的持續(xù)研究,這些設(shè)備有可能有一天會(huì)完全自供電。雖然許多嵌入式設(shè)計(jì)人員歷來(lái)專注于低功耗處理器、傳感器和顯示器,但高EROI的能量收集器可能是最后一塊拼圖。
     
    為了最大限度地提高 EROI,工程師很可能會(huì)繼續(xù)結(jié)合這些能量收集方法;在單一活動(dòng)中使用多個(gè)來(lái)源可能是開(kāi)發(fā)可持續(xù)和自供電系統(tǒng)的關(guān)鍵。
     
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