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能量收集的极限

为什么终端设备中无限权力的承诺只取得了差异的成功。

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能源收获,一旦考虑了低功耗设计的廉价替代品,而且在移动设备中实现了几乎无限的电源,已经稳定到更适中的期望。

这种方法产生的能量通过各种方法——从太阳到运动到环境射频,甚至土壤和树木之间的pH值差异——已经被证明是有效的。问题是,对于大多数应用来说,它产生的能量不够快。就像大多数模拟电路,它不会收缩。能量收集模块往往体积庞大,增加了设计面积和成本。


图1:热能收集装置。来源:三角洲

“如果你不燃烧很多能量,就不需要收集能量,”Gert Jørgensen,销售和营销高级副总裁三角洲的AsiC划分。“如果你确实燃烧了很多能量,那么能量收获将无法工作。在我们看到这项工作的地方,在10毫瓦到100米瓦瓦特范围内,但电池仍然更便宜20倍。能量收获技术很大。您拥有收获元件,电源管理和存储。如果将其与电池进行比较,电池较小。“

当第一个智能手表于2014年达到市场时,大多数这些设备都基于28nm或40nm的逻辑。消费者抱怨说,其中一些手表在需要充电之前持续超过一天。先进的电源管理能力可以内置于这些设备中 -动态电压频率缩放,多电压轨道,黑硅。但如果这些手表一直处于连接状态,并被用于实时健康监测等处理密集型应用,那么这些设备都不足以让电池续航超过一天。

当时的想法是利用运动或环境RF信号来产生能量,类似于自缠绕手表工作的方式。到目前为止,没有否定。

“通过砷化镓和氮化镓的电磁辐射和异国情调方法的电压产生,CTO办公室副总裁兼首席战略家Vickulkarni表示有限元分析软件。“人们一直在试验黄金中的杂质,在那里你可以让电子跳跃,也有新材料是产生能量的轻质复合材料。但现在,这只以很小的商业方式发生。”

这似乎是普遍的共识,除非在材料工程方面有重大突破。

该公司产品营销经理杰夫•米勒表示:“从根本上讲,能源收集是一种用途有限的技术。门托,西门子的一家企业。“它必须是一种优势传感器。我们需要一种能源,无论是热能、机械还是太阳能。而且它需要消耗比电池所能提供的更多的能量。电池是一个可靠的选择,电池可以使用很长时间。如果你考虑一个汽车轮胎压力监测器,在那里更换电池是很困难的,但你仍然可以获得10年的电池寿命。”

能量收集选项
今天最成功的能量收获量落入两个营地 - 太阳能和运动驱动。太阳能使用光伏电池将光线转换为电力,但今天的光伏电池的效率仍处于低至20%的范围。此外,太阳能占用了大量空间,智能手机或电动车等能源密集型应用程序使用太多的能量来使太阳能成为可行的选择。但小规模的光伏仍在计算器,手表和小型设备中起着重要作用。

Delta公司的Jørgensen说:“太阳能仍然是能源收集的最终选择。”“它已经成熟了,可以产生直流电,并且可以产生合理数量的能量。”

运动驱动的能量收集是目前使用的第二种主要方法,它很难部署在芯片或小型设备中。

IDTechEx董事长彼得•哈罗普(Peter Harrop)表示:“由于空间的原因,芯片非常困难。”“如果你看到的是梳状、电容器状结构的能量收集或振动收集,那么进展不会很快。压电会产生错误的振动。你能收获的振动非常小,而且很快就会下降。声波频率也是一样。你往往不能满足你需要的频率。除了自供电传感器,这是非常有限的。从芯片上看,情况不太好。在使用芯片的情况下物联网但是,每年销售数十亿个物联网传感器的梦想并没有实现。是几百万,不是几十亿。如果你打算在加州的每棵树上都安装一个电池,以确定风向,确保你不是在火灾的下风处,你不能更换电池,所以你必须要有能量收集,但这并不是一个解决问题。”

能量收集真正发挥作用的是更大规模的太阳能、风能和波浪运动。在芯片或小器件级别,这种技术的使用是非常有限的。未来的新技术包括压电、热电、光伏、摩擦电学和介电弹性体,其中大多数技术都是在乔治亚理工学院等研究中心对纳米发电机的20多年研究中开发出来的。

压电电源可以被构建到诊断皮肤补丁和医疗设备植入物中,作为涂料分层插入led,作为集成电路和内部的层MEMS.芯片。它们还可以发挥双重作用,以增强光电池和led性能的方式为光调制提供电源和处理,或与光电子集成用于高带宽数据中心数据访问应用。

压电电源更为人知,但格鲁吉亚科技研究人员与摩擦能源纳米液(Tengs)有更多的成功,它使用摩擦和静电诱导来产生小但可用的电力爆发。结果是一种能够在1.044MW使用车载电池存储和能够在高达300°Celsius工作的收集过程中提供稳定的DC电力流量,使用高达60%的高效和使用根据2015年的2015纸在自然通信的纸张上,以及2018年纸张中的2018张纸张,该纸张来自电子,而不是离子。

Tengs提供一系列功率水平,通常以低于电池的成本或收获能量的替代方法。它还使用非毒性材料制造,设计简单,应使大规模制造简单。

林利集团(Linley Group)分析师迈克•德姆勒(Mike Demler)表示,能源收集技术看起来也很适合小型传感器和物联网设备,这些设备可能会用于电池无法轻易更换的地方。

但是,在普通锂离子硬币电池上运行的设备的一致性,成本和寿命 - 以及芯片制造商创造和精炼的节能设计,几十年来留下了大多数传统半导体市场,没有良好的功能或经济原因试图开关,解除者说。他说,虽然可以改变具有专业要求的可穿戴设备和医疗设备,但到目前为止还有很少的主流需求。

即使是那些无法从周围环境中回收电力的设备,也越来越需要更精细的电力管理,更重要的是,控制由此产生的电磁干扰。

例如,在欧洲和亚洲销售的移动电话必须具有支持多达30个不同载波的不同频率配置的RF电路,这是相同层压板的所有部分,但通常在不同的层中。它还需要滤波器和放大器来最大限度地提高增益,并最大限度地减少在Ansys产品管理主任的Larry Williams的设计中快速变为“Mind-Bogglingly Complex”的设计中的EM干扰。“阻抗影响电路的行为,但您不能只使用一切的行为模拟,因为驱动器负载根据设备而异。随着温度的变化,它们会发生变化。因此,您必须注意IC模具连接到SOC或电路板以及它们如何对变化的温度作出反应。“

电力供应足够好和可靠,因此对电力收集的需求相对较少,但缺乏对电力架构的关注,即使在低功耗物联网设备中,也可能破坏这一点,杰里赵,数字和Signoff集团产品管理总监节奏

“设计混合模拟/数字信号的方法是至关重要的,”赵说。“有些设备主要处理模拟世界 - 收获模拟信号,并将它们转换为数字化是设计方面的挑战。这总是一个挑战。模拟总是硅的大块,模型必须确保模拟侧将理解电源。流程至关重要。“

然而,不仅仅是低功耗物联网设备使电源管理的微调变得困难。

“挑战是芯片越来越大,随着越来越多的设备,电源较低,”赵说。“现在你有0.6或0.8伏的单一模具驱动数十亿个设备 - 在单个模具上有几十个电源域,而不仅仅是一两个。模拟电源域,内存电源域,可以打开和关闭的内存电源域,以更高效的某些活动。唤醒过程需要时间并排出大量电流,有时电流如此之高,它会破坏电网。这是需要在我们的力量水平进行分析的内容。因此,我们并不是如何在环境中收集来自波浪或风或其他来源的力量。我们专注于微观水平,以确保您在不浪费电量的情况下获得所有这些设备所需的性能。“

结论
能量收集技术将在芯片和小型设备的多个前沿领域继续发展,但它是否足够可靠和廉价,足以与电池技术的改进竞争,仍有待观察。然而,一些小规模发展的想法可以应用于更广泛的规模。

这仍然是一个新兴但有趣的研究领域。但是,什么才能取得商业上的成功,什么时候能取得成功,这在今天和五年前一样是个谜。

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4评论

realjjj 说:

太阳能不适合电动汽车,这是不正确的,但人们往往试图解决错误的问题。你不需要对电池充满电,甚至不需要满足车辆的全部能源需求。
在美国,人们每天大概开车33英里,而在欧洲只有一半。
以一辆10m3的汽车为例,20%的太阳能电池效率和20%的容量系数(比如屋顶太阳能),每天9.6千瓦时或30-40英里的EPA里程。在实际操作中,如果汽车的整个车身都被电池覆盖,容量系数可能会低得多,但也可能高得多。

关键是要制造出外观好、价格便宜、重量轻的太阳能电池板。与普通的车身面板相比,太阳能面板并不需要增加成本。
And again, it doesn’t have to fully cover the vehicle’s daily needs, doesn’t have to meet every customer’s needs, it just has to provide sufficient value to justify the extra costs, if any – depends on how the solar body panels compare to normal body panels, especially in weight.

至于手机,就看你怎么看了。当你没有办法充电时,太阳能可能会很有用。它不一定是日常使用,它可以是在脱离电网时的选择情况。

如果与数据集成,射频捕获/功率传输是有趣的。也可以是电力输送,而不仅仅是收获,这对于短距离来说是一项巨大的资产。诀窍是尽可能让它成为免费的午餐,前提是该设备有接收数据的无线电。

卡尔 说:

我想知道一段时间所有能量收集嗡嗡声的情况。2006年回来我收到了我工作的公司的主管工程的电子邮件。他声称他在“5英里/小时的湍流中能够从5英里/小时的湍流提供100W / SQFT的新类压电材料”和“电池制造商正在使用这项技术,为剃刀手机开发电池,从而充电携带它的所有者的振动。“我快速计算,只有大约600兆瓦的动能,在1平方米的5英里/小时的微风中可用。如果我们周围有很多自由能,我们将被它殴打。大多数能量收集炒作是由寻求研究资金的人产生的。

詹姆士 说:

我已经调查了多次的能量收获,并同意Ed和Kevin,它既昂贵和笨重。电池易于使用和经济高效,因此往往没有足够的动力来切换。此外,越来越多的低功耗IC即可延长您的电池寿命,并且通过使用自动传感器和事件驱动处理,您可以大大尽量减少功率损耗。甚至有IC就像UB20M完全关闭电源,直到自动传感器激活它,允许设备持续数十年。

安娜 说:

这项技术正在迅速发展。有一些既快速又微小的解决方案,例如e-peas的AEMs (e-peas.com)。实际上,把电池从你的设备上拿下来,用能量收集的解决方案取而代之,你就可以把设备做得更小。

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