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能源采集走出实验室 大步迈向商用化
救地球 这样做就对了!

【作者: 王岫晨】2010年10月11日 星期一

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能源采集(Energy Harvesting)是将原本会被浪费的能量再回收利用。小者如透过身体热量供应小电器装置所需电力,大者如利用大海洋流进行发电。目前在世界各国大力发展再生能源的情况下,使得能源采集再度引起人们的重视。透过能源采集,越来越小的电子系统可以利用非常低的能量运行,例如大型建筑物中用于监控房间温度的装置,便可利用建筑物自身的极微小振动来获取动力。


Linear电源产品部行销总监Tony Armstrong指出,能源采集的来源可以分成光电、线圈,或者透过温度变化等方式来进行,发电后,再进行电力传输,以有效分配电力。能源采集非常适合用在建筑物自动化、航太、热风空调监控等领域。除了源头的能源采集外,其他的流程都会有半导体厂商着墨的空间。


Tony进一步说明,目前许多低功率工业感测器和控制器,已经转向采用可替代能源作为主要或辅助的供电方式。而利用现成的实体能源来产生电力的转换器,正逐渐成为许多应用的最佳来源。这些实体能源包括温差装置(例如热电发电机或温差电堆)、机械震荡器(压电或机电设备)以及光(如太阳电池设备)等。能源采集技术正积极推动许多无线感测器、远端监视器和低功率应用等元件,逐渐朝向零功率的境界发展。


Tony说,尽管能源采集的概念在2000年初就已出现,但直到近期由于技术发展趋向成熟,才渐渐步入商用化阶段。目前欧洲已有部分建筑物的自动化感测器应用采用能源采集技术,这正说明了能源采集将逐步迈入成长期。



《图一 能源采集到了极致,身旁随处都将成为可采集的能源。》
《图一 能源采集到了极致,身旁随处都将成为可采集的能源。》

建筑物自动化是能源采集最大市场

能源采集是指将闲置的资源如振动、热量或光能等,转变成可运用的电能,这也是可自供电式无线感应器的核心技术。广义上来说,可供采集的能源包括动能(风、波、重力、振动等);电磁能(光伏和电磁波)等;热能(太阳热能、地热、温度变化、燃烧等);原子能(原子核能、放射性衰变等)或生物能(生物燃料、生物质能等)。而从振动、温差、光及其它环境能源获取毫瓦级电能的微能源采集也正在走向商业应用,这些微不足道的能量,适用用于提供穿戴式电子、医疗电子、无线传感网路、Wi- Fi终端等超低功耗无线产品。


Linear电源产品部行销总监Tony Armstrong表示,尽管能源采集的概念已出现许多年了,但要在实际的环境中建置一个能源采集系统并不容易,不仅麻烦,系统也复杂且昂贵。目前能源采集可行的应用领域包括交通运输基础设施、无线医疗设备、胎压检测等,其中最大的市场是建筑物自动化。透过能源采集,建筑物的感测器、恒​​温器和灯光开关等系统都不必再使用传统的电源与控制线路,而是以一组机械或能源采集系统来取代。


此外,建筑物中的感测器也透过具能源采集技术的无线网路来进行控制,例如可视人员多寡来调控不同区域的供电、空调与照明等。其实能源采集电路的成本常常低于电源线路的执行成本,因此使用能源采集的技术将更具经济效益。


Tony指出,电动车领域也是非常适合能源采集应用的领域之一,例如目前已有愈来愈多汽车开始采用再生性刹车系统、太阳能电池板,以及能源采集式减震器等方式来采集能源。不过碍于目前纯电动车的年销售量仅数万台,将是阻碍能源采集在车用领域普及的最主要原因。


《图二 Tony Armstrong说,目前许多低功率工业传感器和控制器,已经转向采用可替代能源作为供电方式。》
《图二 Tony Armstrong说,目前许多低功率工业传感器和控制器,已经转向采用可替代能源作为供电方式。》

能源采集市场成熟 半导体厂磨拳霍霍

典型的能源采集系统,通常包含免费的能源来源,例如连接于某个机械振动源(一般建筑物中常见如空调系统管路或玻璃窗)上的压电转换器。这些小型压电元件能够将微小的振动或应变差转换成电能,再透过能源采集电路进行转换,成为下游电路的供电来源。而这些下游电路,则包括某种类型的感测器、ADC(类比数位转换器)或超低功率微控制器。这些元件能够获取所采集的能源,并以电流的形式存在,接着启动感测器来取得读数或测量结果,再透过超低功率无线收发器来传输这些数据资料。


  • 由于能源采集技术广泛而多样化,很难估计整个市场的规模究竟有多大。



由于能源采集技术广泛而多样化,很难估计整个市场的规模有多大,目前的研究方向,多半倾向于分析该技术如何取代电池的实际量化,而且还有很多应用没有被发现。根据市调机构Darnell Group的报告指出,到了2012年,将有2亿个能源采集器与薄膜电池投入应用市场。至于汽车、家庭、工业、医疗、军事以及航太等领域的能​​源采集应用市场,将从2008年的1350万套,成长到2013年的1.641亿套。


无线感测网路可测量温度、压力与振动等参数,并将测量到的资料,透过无线网路发送至监测系统或控制中心,因此成为能源采集技术的首要应用目标。根据置放位置的不同,这些感测器节点应用在工厂自动化、条件监测和智慧建筑领域,可从光、振动或其他方式采集能量,比如,钟表、计算器以及蓝牙耳机等都是光伏电池应用的潜在领域。这些无线感测网路能带来的直接好处非常多,例如能省下昂贵的感测器线缆,而在难以到达的建筑角落中,也可以轻松安装无线感测器。


近年来,能源采集技术已走出实验室,逐步普及于生活角落中。虽然短期内,能源采集技术还不会完全替代所有电池应用,但其优势已开始显现。使用无线感测器,不需更换电池或维修便能持续运行数年,这真正达到低能耗、绿色环保,并且为使用者带来长期的低成本效益。


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