向無電池的物聯網世界邁進

作者 : Martin Lesund,Nordic Semiconductor蜂巢式物聯網技術行銷經理

能量採集(energy harvesting)技術可以減少物聯網(IoT)感測器中電池的不斷更換,讓維護工程師甚至後代子孫都能從中受益。

以數十億計的無線物聯網感測器將會連接起未來的世界。網路設備供應商思科(Cisco)表示,在短短十年間,這個數字可能會超過500億。其中,許多物聯網感測器使用電池供電。除了維護的問題之外,還存在著更換電池的問題,就算每個電池可以使用十年之久,全球各地的技術人員仍然面臨著每天更換數百萬個電池的挑戰。在追求實現永續發展的世界中,這些電池帶來了嚴重的問題。

業界必須開採鋰等特殊材料進行電池製造,然後分銷運送到世界各地,而後則是安全處理廢棄電池的重要問題。

為了克服這項挑戰,未來的無線感測器將需要從環境中汲取能量,採用智慧晶片來對功率預算執行精打細算的管理,從而確保這些短距離或蜂巢式物聯網的連接操作可充分利用每一微瓦電能。

太陽能

目前,光電(photovoltaic)電池(或稱太陽能電池板)是能量採集的最佳選擇。這是因為與其他典型的能量採集選項相比,它們可以達到最高的功率密度和輸出。能量來源是以1,100W/m²平均功率普照地球的太陽,而太陽能電池板利用光電效應將這些光子轉化為電能。

用於能量採集的小規模商用光電面板,大多數都是使用非晶態矽製造的。它們在光線較暗條件下(例如室內環境)的工作效能優於建築物屋頂上常見的晶體太陽能面板。理論上,這類小型非晶矽面板最多可以將33%的入射陽光轉化為電能。

控制可變性

然而,在一天中很大部分的時間裡,太陽都不在天空上。即使是白天,在無雲夏日和陰霾冬天兩者之間太陽輻射能量差異非常大。根據緯度、雲層的變化,太陽能輸出可能會減少高達75%。

為了減緩這些變化的影響,目前的太陽能設計通常包括一個儲能器,例如可充電的鋰聚合物電池或超級電容器。感測器直接從儲能器中獲取電力,確保潔淨且不間斷的電力供應,能量採集器會同時不斷為儲能器加滿電能。當然,這種方法需要製造和丟棄充電電池或超級電容器;不過,能量採集有助於延長電池的壽命,使其與感測器的使用壽命相當,可消除不斷更換電池的操作,並降低對環境的影響。

專為能量採集而設計

即便有了能量儲存器,在確保高感測器可用性的同時,要管理收集到的能量也並不簡單。這裡需要專門用於能量採集的設備,客製化的電源管理IC (PMIC)。PMIC用於實現穩定的永續能源,在推動能量收集物聯網應用變得切實可行方面,發揮著重要的作用。

在這方面,Nordic擁有「充分利用每一微瓦電能」的悠久歷史。例如,其蜂巢式物聯網解決方案nRF9160 SiP的設計初衷就是要最大幅度地降低功耗,而且,某些指導產品規範的設計決策,也是將能量採集納入考慮下而制定的。雖然能量採集顯著延長了應用設備的電池壽命,但它不會對晶片的功能性造成任何限制。

不過,能量採集的實施可能會對應用設備的工作週期(duty cycle)造成一些限制,因此在設計階段必須仔細考慮這些限制要求。幸運的是,Nordic的產品本身具有靈活性,使工作週期、傳輸量和電池壽命三者之間的折衷協調變得容易。

具備永續發展的未來

在目前,能量採集和電池的結合是實現永續發展的良好開端,並已經進入商用化產品階段。而持續的發展則可望實現完全不使用電池的物聯網設備。

例如,使用三層或四層不同半導體組成的多層太陽能電池板來吸收更多的陽光,可望把將近50%的入射陽光轉化為電能。Nordic下一代PMIC將更加精細地進行功率的管理,同時,與現有的產品相比,該公司未來的無線晶片產品將會以更低的能量完成更多的工作。

這樣一來,能量收集將成為永續發展物聯網的重要推動者,這對於全世界各地的維修技術人員和地球上的後代而言,都是絕佳的好消息。

 

 

 

 

 

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