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能量采集|盤點國內外各種形式的能量采集技術

（2024年11月23日更新）

在過去的十年里，RICOH代理物聯網傳感器設備以其更智能、更方便、更廣泛的連接引起了業界和大眾媒體的關注，在提高農作物產量、道路交通暢通、工廠生產效率等方面發揮了積極作用�？梢哉f，幾乎所有行業都在使用物聯網傳感器和智能設備來改變企業的運營模式。鑒于物聯網的各種優勢，MachinaResearch預計2025年全球物聯網設備(包括蜂窩和非蜂窩)數量將達到252億。

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物聯網的大規模應用無疑是鼓舞人心的，但隨著全球數字化進程的加快，一個共同的痛點出現在人們面前：物聯網傳感器設備的電池壽命有限，大量的電池不僅帶來了高維護成本，而且給環境保護帶來了更大的負擔。

環境能源采集技術

各種因素驅使物聯網開發一種新的供電方式，它們可以從自然環境中獲得能量，而不是依賴電池或其他類型的電力。該技術統稱為能量采集技術。其原理主要是收集光能、溫差、振動和射頻（RF）等待能量，并將其轉化為電能。這樣產生的電能可以儲存在電容器或充電電池中，以維持電子系統的正常運行。

環境中的能量形式不僅多種多樣，而且提供了穩定的收集來源，但困難在于這些能量強度相對較弱和分散。因此，不同的能量收集方法是不同的。以下是上述主流能量收集原理和設計理念的簡要介紹。

光能采集

光能是最常見、應用最廣泛的能量之一。其原理主要是利用半導體材料的光電效應將光能直接轉化為電能。早期的太陽能便攜式計算器采用這種電源形式。

一般來說，晴天的室外照明強度為3萬~1.3萬lux，室內日光強度僅為1000lux，在光照如此之低的室內照明環境能量收集和利用是一個巨大的挑戰。目前，國外企業在光能采集領域的最低光照度為100lux飛英思特開發的環境能量電池采集技術可在低至50之間lux在低照度環境下取能，能源管理效率高達98%。可提供比競爭對手更多的能源儲備和更精細的能源消耗應用，實現設備壽命內低功耗物聯網終端的永久耐久性，可廣泛應用于農業監測、智能家居、智能電網等領域。

射頻（RF）能量收集

射頻能量無處不在，使其成為當前主流的能量收集方式之一。手機、電視、WiFi、通信基站等設施設備屬于其范疇。隨著科學技術的發展和城市化的進步，無線發射器的數量日益增加。因此，利用射頻能量為物聯網低功耗傳感器提供能源正成為一種趨勢，公交卡ETC其他產品是射頻能的實際應用。

射頻（RF）能量采集模型

RF獲取能量的原理很簡單。無線發射器通過自己的發射天線發射信號，而能量收集器則通過自己的接收天線接收信號。因此，天線的工作頻率必須與接收信號的頻率相同，這也意味著能量收集器需要一個固定的無線發射器為其提供射頻能源。此外，隨著空間距離的增加，能量收集將下降。另一方面，能量轉換和儲存管理的效率也是重點。

隨著射頻能量收集技術的不斷進步，在應用方面，已逐步向工業設備監手持設備、可穿戴低功耗設備、RFID發展標簽等方向。

溫差能量（TEG）采集

熱能采集是將熱能轉化為電能，其主要原理是賽貝克效應和熱電發生器（TEG）中間的溫差可以產生電勢，從而將熱源中的廢熱轉化為另一種能量形式——電能。這一特性決定了溫差能量收集必須有穩定的熱源，散熱器需要制造溫差，以保持設備中的熱流，從而持續產生電流和能量。

機械能量采集

機械能收集是另一種為電子系統提供足夠能量的方法。電磁、壓電和靜電傳感器可以將機械能轉化為電能。其中，壓電具有較高的能量密度，并通過磁場利用動能產生電能。

在智能家居場景中，通過按壓機械結構形成電磁切割現象產生電能是自供能開關、自供能門鈴等無源產品的常見方式。通過振動產生的能量可以實時收集和釋放，可以實現能量的隨產和使用。

目前，市場上大多數機械能采集方案都沒有儲能模塊，當設備不采集能量時，就無法實現能量自給自足。其次，振動能采集元件的尺寸一般為3平方厘米。對于小型產品的設計要求，尺寸太大，功耗相對較高。因此，如何實現振動能電的儲存，縮小采集元件的尺寸，成為實現機械能傳感器永久耐久性和便捷開發的關鍵。

越來越多的應用證明，能源收集帶來的價值是極其巨大的。與傳統有源供電(電池/布線)面臨的電池壽命限制、部署成本、后期維護等痛點不同，由于能源收集技術的存在，未來的傳感設備可以從周圍環境中收集能量，通過電源管理單元優化和儲存能量，實現物聯網傳感器在設備生命全周期內的永久續航。

環境能源電池技術飛英思特

飛英思特作為中國第一家開始研究能源采集技術的企業，已經開創性地實現了光能和溫差（TEG）、機械能，無線射頻（RF）具有環境能源電池核心技術和微能管理模塊核心產品的復合采集和高效轉換，復合微能管理芯片EHIC即將進入流片階段。

環境能源電池技術原理圖

當時，多元化的無電池解決方案將更好地滿足市場需求。面對下游企業，飛英思特可以為終端用戶提供快速實施的無源產品開發解決方案和無源整體解決方案；未來，通過環境能源電池技術開發的無源產品將無源產品將有助于企業收集更多低成本、快速部署和免維護的運營數據和生產數據，幫助企業最大限度地提高生產經營投資的價值回報，性價比高企業最大限度地提高生產經營投資的價值回報。