【IEEE好文分享】
摘要：能量收集指的是從環(huán)境中捕獲周圍能量的做法。其中包括你可能聽說過的太陽能、風能等能量形式，也有一些不太為人熟知的，比如振動能和運動能。這一領域是研究的熱點，因為它能讓物聯(lián)網設備在安裝時無需有線供電，也無需定期更換電池。研究工作中的一大核心問題是，環(huán)境中的能量來源往往不穩(wěn)定。 據預測，物聯(lián)網設備的數量將大幅增長，從2025年的198億臺增至2034年的406億臺以上。這些設備大多要么需要插電，要么依靠電池供電（https://www.statista.com/statist ... -devices-worldwide/）。 這存在兩大明顯弊端：能源生產通常會對環(huán)境造成影響；而且電池需要定期更換。當設備數量龐大，或者設備安裝在偏遠地區(qū)時，更換電池就變得十分困難。 而能量收集技術恰好能提供解決方案。 IEEE（電子電子工程師學會）會員Shreenithi Lakshmi Narasimha表示：“能量收集是從環(huán)境中捕獲少量能量（如陽光、熱量、運動或無線電波）并將其轉化為可用電力的過程。” IEEE高級會員Alandey Severo da Silva則指出，能量收集的主要目標是“讓設備能夠自主運行，從而減少甚至完全擺脫對傳統(tǒng)電池的依賴”。 能量收集的應用形式有哪些？ 設備有多種方式可以收集能量以替代電池供電。 Silva進一步舉例說明：“太陽能計算器將陽光轉化為電能，而自動上鏈手表則利用佩戴者手臂運動產生的機械能�！� 其他例子還包括：從橋梁等建筑物的振動中獲取能量的傳感器；利用人體熱量（即熱能）發(fā)電的可穿戴設備。未來的設備還有能力從周圍的 Wi-Fi 信號中收集能量，因為這些信號屬于電磁波。 太陽能花園燈、靠體溫運行的手表，甚至是通過行走供電的手機充電器，這些日常例子都展現了如何捕獲和利用環(huán)境能量，而無需依賴傳統(tǒng)電池或電源插座。 能量收集的優(yōu)勢 2025年，全球每天預計有7800萬塊為物聯(lián)網設備供電的電池被丟棄。Lakshmi表示：“隨著數十億物聯(lián)網設備投入使用，電池生產和處理所帶來的環(huán)境成本將難以為繼。能量收集技術將是實現電子設備凈零排放的關鍵�！� 能量收集不僅為電池技術提供了可持續(xù)的解決方案，還為簡化6G及下一代無線系統(tǒng)的網絡架構開辟了道路。 IEEE高級會員Maria Crueza Borges de Araújo表示：“利用環(huán)境能量收集技術有助于打造自供電設備，這將為網絡帶來更高的自主性。在當前無線系統(tǒng)基礎設施不足的偏遠環(huán)境中，新型能量收集設備能提升6G或下一代網絡的可擴展性，傳感器也可部署在偏遠地區(qū)，無需頻繁充電或更換電池�！� 能量收集還帶來了更大的設計靈活性，因為這類設備無需預留空間容納笨重的電池或充電接口。這使得以往無法實現的新產品設計和應用成為可能。 IEEE高級會員Dheerendra Panwar稱：“設計將向模塊化、無源化和節(jié)能型架構轉變，以減少對電池的依賴。可穿戴設備或許會采用運動和體溫收集技術，實現更輕薄的外形，且無需頻繁充電，延長使用壽命。” 能量收集面臨的挑戰(zhàn) 盡管能量收集能為物聯(lián)網的開發(fā)和使用提供更具可持續(xù)性的解決方案，但在其推廣速度和普及程度方面仍存在挑戰(zhàn)。 Lakshmi認為：“最大的挑戰(zhàn)在于穩(wěn)定性。環(huán)境能源具有波動性 —— 陽光并非時刻可得，射頻信號可能微弱，運動也無法保證持續(xù)存在�！� 她補充道，為解決能源供應不穩(wěn)定的問題，將能量收集與超低功耗設計、邊緣智能以及智能儲能相結合至關重要。 另一個問題是采用能量收集技術的初始成本較高。由于能量收集設備在材料和制造流程上的成本不菲，可能會形成經濟壁壘。 然而，盡管初始成本較高，但從產品的整個使用壽命來看，長期的成本效益最終會降低總成本。能量收集技術減少了電池更換成本和維護工作，同時提高了整個設備的可靠性。 能量收集的未來發(fā)展方向 要實現能量收集技術的廣泛應用，既需要技術的進步，也需要政府的支持。 必須通過設計更高效、更緊湊的系統(tǒng)來增強儲能能力，以應對收集到的能量供應不穩(wěn)定的問題。 Silva表示：“提高能量轉換效率也至關重要。這需要研發(fā)出能更高效地將環(huán)境能量轉化為電能且損耗極小的材料。同時，還需降低這些材料的成本并提高其耐用性，以減少制造成本、延長設備壽命，從而讓更多人能夠使用這些設備�！� Lakshmi指出了更多關鍵成敗因素： “要加快能量收集技術的應用，需要可擴展、低成本的能量收集模塊，這些模塊能夠整合到現有的制造流程中；理想情況下，還需要互聯(lián)互通的開放標準、對循環(huán)電子器件的激勵措施、更嚴格的電子廢棄物法規(guī)，以及對低功耗無線標準的強制要求。” 能量收集技術能為全球范圍內日益增多的物聯(lián)網設備提供可持續(xù)的替代方案。隨著電池使用量的增加，投資于以能量收集能力為核心的解決方案，有助于減少不斷增長的能源需求和消耗。 欲了解更多信息，請訪問：如何收集身邊的正能量？能量收集技術登場：https://www.comsoc.org/publicati ... ting-makes-entrance。 |
