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能量收获

从环境中获取能量
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描述

能量收集,也被称为更适合营销的术语“能量收集”,是指从心跳、身体运动、波动、无线电波和太阳辐射等事物中获取能量的过程。这种能量在其他方面是浪费的,但在某些情况下是有用的——特别是在修改芯片架构时。
从集成电路设计的角度来看,能量收集增加了一些变化。其中之一涉及到分区。其次是成本,因为许多从能源收集中获益最多的应用都对价格敏感。

其中涉及五个关键领域:

光伏。也许最多产的超低电压源是光伏。这是一种很好理解和成熟的大规模发电方法,是一种理想的、几乎取之不尽、对环境友好的微动力来源。它也是无所不在的自由能源的来源之一,即使不是最理想的。现在技术可以从单个光伏电池中捕获和利用能量,它作为收获能源的潜力是无限的。一个值得注意的未来应用是由单层光伏电池组成的超薄隐形皮肤,它可以覆盖在手机屏幕上,为手机提供运行电力。

压电。压电能是由晶体材料中机械态和电态之间的线性机电相互作用产生的。它是一种成熟且被广泛理解的能量来源。由于它是非常可扩展的,它可以配置为所有级别的EH应用提供能源。在未来,非常小的压电发电机(50 μ或更低)将能够为新的超低功率模块供电。这种应变可以来自许多来源——例如运动、低频地震振动、声波噪声、发动机振动或鞋跟撞击地面时的冲击。EH系统的一种边缘能量供应是微尺度设备中的晶体,例如在收集微水力能量的设备中。在该装置中,加压液压流体的流动驱动一个由三个压电元件支撑的往复活塞,将压力波动转化为交流电。这个电流可以用来为任何数量的设备供电

环境辐射射频。在自然和人为环境中,来自自然源或无处不在的无线电传输的环境射频是较热的潜在EH源之一。然而,大多数环境射频源的可用可用能量非常少,需要超低阈值能量收集模块。一种理论上的解决方案是在靠近辐射无线能量源的地方放置一个大表面积的收集器,并从射频波中清除能量。拥有特殊天线的天线场将被开发出来,可以收集足够的能量,从杂散无线电波或理论上甚至是电磁(EM)源产生有用的能量,超低输入EH模块使之成为现实
热电发电机。teg由两个不同的材料结组成,形成热梯度。每个结的电压通常为100至200 μV/K。对于目前的EH应用,通过串联/并联连接多个结来获得合适的电压输出。有了新的单组分EH模块,就需要连接连接液滴,使实际的TEG器件比目前可用的占地面积小得多。这意味着TEG设备在对足迹敏感的应用(微传感器,生物医学)中变得更加实用。即将开发的是能够在更高温度梯度下工作的材料,并且可以在不导热的情况下良好导电,提高效率和对人体等热敏性设施的适用性。

生物力学的来源。生物机械能量收集器的潜在应用正在引起轰动。人体有能力提供一个广泛的平台,可以收集能量。关节运动、体温、呼吸、水分和冲击(行走)都是潜在能量的产生者。一个实验模型将它绑在膝盖上,可以产生大约2.5瓦的功率。这足够为一些手机供电了。在其他领域,新的超低电压捕捉模块,使用人类呼吸作为小型风力涡轮机的动力源,或者使用声音或音箱振动,都是可能的。

嵌入式系统。最后,但并非最终,嵌入式系统正越来越多地融入我们生活的方方面面。从闹钟到电脑再到安全系统,有很多设备都是由可编程微芯片控制的,在某种程度上,这些设备可以由EH系统供电,而不是电池或超级电容。

其他领域的工作也在进行中。其中一个涉及生物学。早在2008年,麻省理工学院的一组研究人员就在2008年发表了一篇论文,研究了植物和周围土壤之间的持续电压差。麻省理工学院也在研究芯片上的微型发动机,Darpa几年前也在试验芯片大小的核反应堆。最终在商业上可行的是未知的,但随着设计团队致力于在越来越小的设备上实现更强大的功能,寻找方法来避开传统电池技术的限制,研究已经开始升温。

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