橋梁的安全監(jiān)控、零瓦待機(jī)、智能照明控制……等這些看似風(fēng)馬牛不相及的領(lǐng)域，今天，它們都將和一個(gè)概念——“微型能量收集（Energy Harvesting）”技術(shù)聯(lián)系在一起。微型能量收集技術(shù)雖然現(xiàn)在還沒(méi)有得到大規(guī)模商用，但在剛剛開(kāi)幕的第十二屆慕尼黑上海電子展富士通半導(dǎo)體的展臺(tái)上，我們驚喜地看到微型能量收集技術(shù)已經(jīng)取得了重大技術(shù)突破，這為討論已久的“無(wú)電池”、“半永久續(xù)航”應(yīng)用的廣泛普及奠定了基礎(chǔ)。
圖1.慕尼黑上海電子展富士通半導(dǎo)體展示新一代節(jié)能環(huán)保技術(shù)。
富士通半導(dǎo)體此次重點(diǎn)展示了其最新推出的在微光條件下也可以實(shí)現(xiàn)97%轉(zhuǎn)換效率的光環(huán)境發(fā)電PMIC，并且此電源管理IC還可以實(shí)現(xiàn)低至0.35V的超低電壓?jiǎn)?dòng)。這些技術(shù)上的突破使得以往處于概念階段的“無(wú)電池”、“半永久”應(yīng)用場(chǎng)景即將成為現(xiàn)實(shí)，并且為綠色節(jié)能應(yīng)用提供了更廣闊的想象空間。
市場(chǎng)現(xiàn)狀與趨勢(shì)
“事實(shí)上，微型能量收集并不是一個(gè)全新的概念，它之所以一直沒(méi)有被真正的廣泛應(yīng)用的最大原因是其能量收集端所能收集到的能量和其實(shí)際能夠推動(dòng)的能量消耗端所消耗的能量之間一直處于不平衡的狀態(tài)，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)就是其收集的能量不夠用。可喜的是隨著傳感器、MCU、RF等器件功耗的不斷降低，以及微型能量收集電源管理IC技術(shù)的突破，使得系統(tǒng)能量收支逐漸趨于平衡。” 富士通半導(dǎo)體市場(chǎng)部高級(jí)經(jīng)理王韻在展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)介紹說(shuō)。
而據(jù)日經(jīng)BP社的測(cè)算，這類(lèi)應(yīng)用的能量收集和能量消耗情況在2010年和2011年階段的時(shí)候已經(jīng)非常接近，而2011年以后，他們認(rèn)為微型能量收集技術(shù)所能收集的能量已經(jīng)完全可以用于能量消耗的部分。
另?yè)?jù)美國(guó)Innovative Research and Products (iRAP)公司的調(diào)查顯示，到2014年，整個(gè)微型能量收集的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到12.54億美元。而從2009年開(kāi)始，其市場(chǎng)一直保持每年73%的高增長(zhǎng)率。
英國(guó)的IDTechEx公司也曾提供數(shù)據(jù)：“能量收集與能源類(lèi)相關(guān)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將由2010年的4.4億美元增長(zhǎng)至2020年的6.05億美元”，微型能量收集技術(shù)將成為一個(gè)非常有潛力的市場(chǎng)。
將無(wú)電池應(yīng)用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)
我們的生活圈中存在各種能量，如光、熱、無(wú)線電波和振動(dòng)等，如下圖2所示。這些能量以太陽(yáng)能、電磁、壓電等形式輸入能量收集電源管理IC(PMIC)，用于能量收集。輸出功率可以用于傳感器、低功耗MCU或存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件中，如雙電層電容和全固態(tài)二次電池。
圖2. 能量收集系統(tǒng)配置。
富士通半導(dǎo)體及合作伙伴們一直在設(shè)想有哪些應(yīng)用方案可以使這些生活中隨處可見(jiàn)的能源被收集起來(lái)。在展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，富士通半導(dǎo)體王韻例舉了幾種非常有意思的能量收集應(yīng)用。如下圖3所示，這些應(yīng)用包括：無(wú)需鑰匙就能打開(kāi)車(chē)門(mén)、水管理系統(tǒng)、無(wú)電池遙控、自定位系統(tǒng)等。
圖3. 微型能量收集技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的無(wú)電池應(yīng)用例子。
日常生活中，這些應(yīng)用如果使用電池，就需要手動(dòng)更換電池。電池確實(shí)是非常便宜，但是很多情況下對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的電池進(jìn)行更換的費(fèi)用往往代價(jià)昂貴，而且廢舊電池屬于污染物。那么，此時(shí)能量收集方案就是解決方案。
“對(duì)于微型能量收集的無(wú)電池應(yīng)用（batteryless），富士通半導(dǎo)體關(guān)注的重要領(lǐng)域之一就是在物聯(lián)網(wǎng)即所謂的傳感器網(wǎng)絡(luò)（sensor network）的應(yīng)用，幫助這類(lèi)系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）以及用于通信的RF模塊實(shí)現(xiàn)半永久的供電。” 王韻進(jìn)一步指出。
下圖4的三角形顯示了微型能量收集的無(wú)電池應(yīng)用在云業(yè)務(wù)中的3個(gè)層級(jí)，可以看到三角形的底層即是我們所講的傳感器節(jié)點(diǎn)，在中間層是一些網(wǎng)關(guān)，而這個(gè)三角形的頂部是云業(yè)務(wù)。
圖4. 為什么需要無(wú)電池解決方案？
“在這個(gè)系統(tǒng)中需要數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點(diǎn)，并且對(duì)其中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都要求能夠自由維護(hù)，并可以安裝在任何地方。這就決定了必須是無(wú)電池的解決方案。”王韻解釋道。
橋梁安全監(jiān)控等“半永久”傳感器網(wǎng)絡(luò)
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