揭秘4種能量采集技術(shù)

生活中所有電子設(shè)備都需要點，因此我們每天為手機充電，為電腦充電，為pad充電已經(jīng)習以為常，但很多場合并不適合充電，像懸浮在空中的微型傳感器，惡略環(huán)境中工作的設(shè)備。人們逐漸開始想利用能量收集技術(shù)，實現(xiàn)實踐意義上的“永動機”。這對于心臟起搏器來說，也是一個福音，畢竟它是靠電運行的，為了補充電量而開膛破肚危險性可想而知。預(yù)想的未來中，可穿戴設(shè)備將可以通過光線、熱量或是振動來獲取能量。這聽起來像科幻小說，但可以收集能量的可穿戴設(shè)備其實已經(jīng)存在很多年了。例如日本精工發(fā)明了一款電磁發(fā)電機，通過用戶的身體運動來為其石英表供電。

不過對當今主要依賴傳感器、計算芯片和通信技術(shù)的可穿戴設(shè)備來說，這些相對簡單的能量收集方法不再足夠。但我們還有希望，已經(jīng)出現(xiàn)了一系列的新技術(shù)可以幫助實現(xiàn)可穿戴設(shè)備的能源獨立。在能源收集方面，目前科學界和行業(yè)內(nèi)主要關(guān)注以下幾種技術(shù)：

太陽能電池

太陽能電池不是只有發(fā)電場、路燈這些大型應(yīng)用，我們將看到微型版本的太陽能電池為可穿戴設(shè)備提供足夠的能量。不需要電池的太陽能手表已經(jīng)存在很多年了，Energy Bionics最近開發(fā)的一款太陽能手表不僅可以滿足自身需求，還可以為其它設(shè)備供電。

把太陽能電池應(yīng)用于可穿戴設(shè)備上的一大問題是，設(shè)備需要光照才能發(fā)電，一旦光線被遮住，比如在袖子下面，就沒法產(chǎn)生能量了。不過從另一個角度看，這也讓太陽能電池成為智能服裝的一個好選擇，柔性電池甚至可以直接縫進織物中去。

傳統(tǒng)的太陽能電池設(shè)計針對的是太陽光，因為太陽光的強度要遠高于室內(nèi)常見光源。為解決這一問題，一些新材料正在開發(fā)出來，能夠在室內(nèi)發(fā)電，效率也大大提高。

熱電收集

熱電收集是把熱能轉(zhuǎn)換為電能，使用的物理原理叫塞貝克效應(yīng)。珀耳帖元件加上一對特定的半導(dǎo)體，只要出現(xiàn)溫差就會產(chǎn)生電流。

對可穿戴設(shè)備來說，不斷散發(fā)熱量的人體可以作為熱的一端，環(huán)境則成為冷的一端。產(chǎn)生能量的多少取決于高低溫度之間的Δ值。珀耳帖元件可以收集很多能量，因而對緊貼皮膚，能量需求又高的設(shè)備來說很有潛力。熱電回收的一大優(yōu)勢是能量源源不斷，不管是室內(nèi)還是室外，白天還是黑夜都能利用。

早前雷鋒網(wǎng)就報道過韓國開發(fā)出來的一款把熱能轉(zhuǎn)化為電能的貼片，其各種特性都已經(jīng)很滿足可穿戴設(shè)備的使用需求。

壓電收集

壓電收集把機械能轉(zhuǎn)換為電能。在壓電元件中，由于壓電效應(yīng)，只要元件受到機械力操縱就會產(chǎn)生微小的電流。在可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用，壓電元件的設(shè)計通常是靠行走、呼吸或手的運動所帶來的振動進行發(fā)電。

壓電收集所產(chǎn)生的能量相對較少，這使它的應(yīng)用主要限制在耗電較少的設(shè)備以及總是處于運動狀態(tài)的身體部位?？茖W家正在研發(fā)的聚合物壓電纖維具有柔韌透氣的特點，可以置入織物當中，也有很廣泛的應(yīng)用場景。

優(yōu)化可穿戴設(shè)備的電量存儲和消耗

想要讓可穿戴設(shè)備徹底不用充電，能量收集只是一方面。能量存儲是另一個有很大提升空間的方面。這方面超級電容器和石墨烯潛力巨大。神奇材料石墨烯可以大幅改善電池和電容的效率，從而提高可穿戴設(shè)備的整體性能。而結(jié)構(gòu)電容器可以把可穿戴組件變成能量存儲器，從而不需要額外空間來安放電池。

另一個讓可穿戴設(shè)備提高續(xù)航甚至完全不用充電的方法是大幅減少傳感器、芯片和通信系統(tǒng)的能量消耗。智能手機的成功推動了低能耗高性能芯片的發(fā)展?？纱┐髟O(shè)備的處理器所需要計算能力和能量還更少。為應(yīng)對這一問題，包括Intel在內(nèi)的芯片大廠正通過把處理器、內(nèi)存和通信模塊整合到單一芯片中去，從而減少常見的一些能量損失。

選擇最高效的連網(wǎng)技術(shù)對減少能量消耗也有很大幫助。展望未來，越來越多的傳感器和設(shè)備佩戴在身體的不同部分，使得名為“身體區(qū)網(wǎng)絡(luò)”的高效通信方式在節(jié)省能量方面潛力巨大。諸如EnOcean等公司開發(fā)了優(yōu)化過的協(xié)議，使用相對IPv6更短的數(shù)據(jù)電報，從而讓同等量級的信息傳輸所消耗的能量顯著降低。

所有這些不同方面的改進都在推動可穿戴設(shè)備步入一個不用充電的時代，同時大幅提高性能表現(xiàn)。加上無線充電等技術(shù)，消費者可能很快就會看到可穿戴設(shè)備用戶體驗的大幅提升，而這也會進一步把可穿戴推向更廣泛的市場。