物联网
首页  >  物联网  >  前沿技术

无需充电!可穿戴设备能量收集技术解析

2014-09-25  来源:国脉物联网  作者:

对可穿戴设备来说,最大的问题之一就是如何在不把设备做得太大的同时保证足够长的续航时间。最理想的情况是用户完全不需要为设备充电,这就是为什么iFind防丢Tag之前会如此受欢迎的原因,iFind是全球一款采用了电磁波作为能量来源的蓝牙防丢器,没有内置电池,无需充电,你身边的人打个电话,就给你的iFind充电了。因为它声称自己完全不需要充电,仅靠收集电磁能就可以维持运转,这非常不可思议。

它提醒我们在通往不用充电的理想世界之路上前行,在这条路上能量收集是重中之中。预想的未来中,可穿戴设备将可以通过光线、热量或是振动来获取能量。这听起来像科幻小说,但可以收集能量的可穿戴设备其实已经存在很多年了。例如日本精工发明了一款电磁发电机,通过用户的身体运动来为其石英表供电。

不过对当今主要依赖传感器、计算芯片和通信技术的可穿戴设备来说,这些相对简单的能量收集方法不再足够。但我们还有希望,已经出现了一系列的新技术可以帮助实现可穿戴设备的能源独立。在能源收集方面,目前科学界和行业内主要关注以下几种技术:

太阳能电池

太阳能电池不是只有发电场、路灯这些大型应用,我们将看到微型版本的太阳能电池为可穿戴设备提供足够的能量。不需要电池的太阳能手表已经存在很多年了,EnergyBionics最近开发的一款太阳能手表不仅可以满足自身需求,还可以为其它设备供电。

把太阳能电池应用于可穿戴设备上的一大问题是,设备需要光照才能发电,一旦光线被遮住,比如在袖子下面,就没法产生能量了。不过从另一个角度看,这也让太阳能电池成为智能服装的一个好选择,柔性电池甚至可以直接缝进织物中去。

传统的太阳能电池设计针对的是太阳光,因为太阳光的强度要远高于室内常见光源。为解决这一问题,一些新材料正在开发出来,能够在室内发电,效率也大大提高。

热电收集

热电收集是把热能转换为电能,使用的物理原理叫塞贝克效应。珀耳帖元件加上一对特定的半导体,只要出现温差就会产生电流。

对可穿戴设备来说,不断散发热量的人体可以作为热的一端,环境则成为冷的一端。产生能量的多少取决于高低温度之间的Δ值。珀耳帖元件可以收集很多能量,因而对紧贴皮肤,能量需求又高的设备来说很有潜力。热电回收的一大优势是能量源源不断,不管是室内还是室外,白天还是黑夜都能利用。

压电收集

压电收集把机械能转换为电能。在压电元件中,由于压电效应,只要元件受到机械力操纵就会产生微小的电流。在可穿戴设备上的应用,压电元件的设计通常是靠行走、呼吸或手的运动所带来的振动进行发电。

压电收集所产生的能量相对较少,这使它的应用主要限制在耗电较少的设备以及总是处于运动状态的身体部位。科学家正在研发的聚合物压电纤维具有柔韧透气的特点,可以置入织物当中,也有很广泛的应用场景。

优化可穿戴设备的电量存储和消耗

想要让可穿戴设备彻底不用充电,能量收集只是一方面。能量存储是另一个有很大提升空间的方面。这方面超级电容器和石墨烯潜力巨大。神奇材料石墨烯可以大幅改善电池和电容的效率,从而提高可穿戴设备的整体性能。而结构电容器可以把可穿戴组件变成能量存储器,从而不需要额外空间来安放电池。

另一个让可穿戴设备提高续航甚至完全不用充电的方法是大幅减少传感器、芯片和通信系统的能量消耗。智能手机的成功推动了低能耗高性能芯片的发展。可穿戴设备的处理器所需要计算能力和能量还更少。为应对这一问题,包括Intel在内的芯片大厂正通过把处理器、内存和通信模块整合到单一芯片中去,从而减少常见的一些能量损失。

选择最高效的连网技术对减少能量消耗也有很大帮助。展望未来,越来越多的传感器和设备佩戴在身体的不同部分,使得名为“身体区网络”的高效通信方式在节省能量方面潜力巨大。诸如EnOcean等公司开发了优化过的协议,使用相对IPv6更短的数据电报,从而让同等量级的信息传输所消耗的能量显著降低。

所有这些不同方面的改进都在推动可穿戴设备步入一个不用充电的时代,同时大幅提高性能表现。加上无线充电等技术,消费者可能很快就会看到可穿戴设备用户体验的大幅提升,而这也会进一步把可穿戴推向更广泛的市场。

关键词:可穿戴设备 能源收集 太阳能 热电收集