【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(fēng)能等能量形式，也有一些不太為人熟知的，比如振動(dòng)能和運(yùn)動(dòng)能。這一領(lǐng)域是研究的熱點(diǎn)，因?yàn)樗茏?a href="http://m.54549.cn/keyword/物聯(lián)網(wǎng)" target="_blank" class="relatedlink">物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安裝時(shí)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(jù)預(yù)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量將大幅增長，從2025年的198億臺(tái)增至2034年的406億臺(tái)以上。這些設(shè)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(chǎn)通常會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響；而且電池需要定期更換。當(dāng)設(shè)備數(shù)量龐大，或者設(shè)備安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)時(shí)，更換電池就變得十分困難。 而能量收集技術(shù)恰好能提供解決方案。 IEEE（電子電子工程師學(xué)會(huì)）會(huì)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(yùn)動(dòng)或無線電波）并將其轉(zhuǎn)化為可用電力的過程�！� IEEE高級(jí)會(huì)員Alandey Severo da Silva則指出，能量收集的主要目標(biāo)是“讓設(shè)備能夠自主運(yùn)行，從而減少甚至完全擺脫對(duì)傳統(tǒng)電池的依賴”。 能量收集的應(yīng)用形式有哪些？ 設(shè)備有多種方式可以收集能量以替代電池供電。 Silva進(jìn)一步舉例說明：“太陽能計(jì)算器將陽光轉(zhuǎn)化為電能，而自動(dòng)上鏈?zhǔn)直韯t利用佩戴者手臂運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能�！� 其他例子還包括：從橋梁等建筑物的振動(dòng)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(shè)備。未來的設(shè)備還有能力從周圍的 Wi-Fi 信號(hào)中收集能量，因?yàn)檫@些信號(hào)屬于電磁波。 太陽能花園燈、靠體溫運(yùn)行的手表，甚至是通過行走供電的手機(jī)充電器，這些日常例子都展現(xiàn)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(shì) 2025年，全球每天預(yù)計(jì)有7800萬塊為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電的電池被丟棄。Lakshmi表示：“隨著數(shù)十億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備投入使用，電池生產(chǎn)和處理所帶來的環(huán)境成本將難以為繼。能量收集技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備凈零排放的關(guān)鍵�！� 能量收集不僅為電池技術(shù)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開辟了道路。 IEEE高級(jí)會(huì)員Maria Crueza Borges de Araújo表示：“利用環(huán)境能量收集技術(shù)有助于打造自供電設(shè)備，這將為網(wǎng)絡(luò)帶來更高的自主性。在當(dāng)前無線系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施不足的偏遠(yuǎn)環(huán)境中，新型能量收集設(shè)備能提升6G或下一代網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，傳感器也可部署在偏遠(yuǎn)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(shè)計(jì)靈活性，因?yàn)檫@類設(shè)備無需預(yù)留空間容納笨重的電池或充電接口。這使得以往無法實(shí)現(xiàn)的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為可能。 IEEE高級(jí)會(huì)員Dheerendra Panwar稱：“設(shè)計(jì)將向模塊化、無源化和節(jié)能型架構(gòu)轉(zhuǎn)變，以減少對(duì)電池的依賴�？纱┐髟O(shè)備或許會(huì)采用運(yùn)動(dòng)和體溫收集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(wǎng)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(rèn)為：“最大的挑戰(zhàn)在于穩(wěn)定性。環(huán)境能源具有波動(dòng)性 —— 陽光并非時(shí)刻可得，射頻信號(hào)可能微弱，運(yùn)動(dòng)也無法保證持續(xù)存在�！� 她補(bǔ)充道，為解決能源供應(yīng)不穩(wěn)定的問題，將能量收集與超低功耗設(shè)計(jì)、邊緣智能以及智能儲(chǔ)能相結(jié)合至關(guān)重要。 另一個(gè)問題是采用能量收集技術(shù)的初始成本較高。由于能量收集設(shè)備在材料和制造流程上的成本不菲，可能會(huì)形成經(jīng)濟(jì)壁壘。 然而，盡管初始成本較高，但從產(chǎn)品的整個(gè)使用壽命來看，長期的成本效益最終會(huì)降低總成本。能量收集技術(shù)減少了電池更換成本和維護(hù)工作，同時(shí)提高了整個(gè)設(shè)備的可靠性。 能量收集的未來發(fā)展方向 要實(shí)現(xiàn)能量收集技術(shù)的廣泛應(yīng)用，既需要技術(shù)的進(jìn)步，也需要政府的支持。 必須通過設(shè)計(jì)更高效、更緊湊的系統(tǒng)來增強(qiáng)儲(chǔ)能能力，以應(yīng)對(duì)收集到的能量供應(yīng)不穩(wěn)定的問題。 Silva表示：“提高能量轉(zhuǎn)換效率也至關(guān)重要。這需要研發(fā)出能更高效地將環(huán)境能量轉(zhuǎn)化為電能且損耗極小的材料。同時(shí)，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(shè)備壽命，從而讓更多人能夠使用這些設(shè)備�！� Lakshmi指出了更多關(guān)鍵成敗因素： “要加快能量收集技術(shù)的應(yīng)用，需要可擴(kuò)展、低成本的能量收集模塊，這些模塊能夠整合到現(xiàn)有的制造流程中；理想情況下，還需要互聯(lián)互通的開放標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)循環(huán)電子器件的激勵(lì)措施、更嚴(yán)格的電子廢棄物法規(guī)，以及對(duì)低功耗無線標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制要求�！� 能量收集技術(shù)能為全球范圍內(nèi)日益增多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(qǐng)?jiān)L問：如何收集身邊的正能量？能量收集技術(shù)登場(chǎng)：https://www.comsoc.org/publicati ... ting-makes-entrance。 |
