《电子设备的能量收集技术-2020版》
2020-05-02 16:27:53   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

Energy Harvesting for Electronic Devices 2020-2040

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能量收集是指电子设备所处的环境大多有很多可利用的能量（例如：机械振动、太阳光照、电磁场和温度变化等），通过某种方式将这些环境能量转化为电能，以供设备后续使用。能量收集日益引起人们的关注，原因是世界各国在大力发展可再生能源，而且越来越小的电子系统可以通过越来越低的能量运行。例如：大型建筑物中用来监控房间温度的小装置可以利用建筑物自身的极微小振动来获得能源动力。

据麦姆斯咨询报道，2019年，全球第一款自供电的智能机械手表Ressence Type 2正式发布，它由“iPod之父”和Nest联合创始人Tony Fadell共同打造。这是一款机械手表——时钟运行及功能由手表内的机械装置实现，但是可与智能手机应用程序配对使用。这主要受益于新型电子表冠（e-Crown），它可以解决“智能”与“指针”手表难题。该款手表由太阳能和动力擒纵结构共同驱动运行，当进入“日光节约时制（夏令时）”或者动力储备消耗光后，佩戴者只需轻触表盘即可重置至正确时间，象征着Ressence对混合时计的未来趋势展望。

自供电的智能机械手表Ressence Type 2

Ressence Type 2电子表冠（e-Crown）是一个嵌入式系统，将机械机芯与内部ROCS显示模块连接起来，独特的设计使其不会干扰从发条盒到指针的齿轮系。这一创新的技术完全取代了传统的机械指针表冠。该电子表冠（e-Crown）由87个组件构成，是一个微型的机电系统，要求每个组件都必须非常小且功耗低。由于研发人员的精心设计，该系统每天仅需要1.8焦耳的能量即可保证正常运行。凭借两种能量收集技术，该系统的能量是可以自给自足的，无需更换电池。

自供电的智能机械手表Ressence Type 2电子表冠（e-Crown）电路板，集成了太阳能收集、机械（动）能收集、能源管理、触控传感、蓝牙等功能

自供电的智能机械手表Ressence Type 2内部机械结构

以智能手表为代表的可穿戴设备及物联网（IoT）节点为何需要能量收集？反过来，能量收集技术会促进物联网的快速增长吗？为什么特斯拉（Tesla）公司会采用能量收集技术？当手机和计算机还没出现的时候，能量收集技术就展现出魅力了吗？我们这份长达215页的《电子设备的能量收集技术-2020版》报告介绍了智能机械手表Ressence Type 2，并解答了上述问题，可谓恰逢其时！

特斯拉Solar Roof太阳能屋顶

半导体晶圆和薄膜光伏（PV）技术

近年来，便携式及可穿戴式电子设备开始大规模应用于专业领域和人类日常生活中，并且朝着小型化、智能化、多功能化和柔性化发展。然而，可穿戴电子设备面临的主要问题是现有的电池不足以为其持续供电。为解决供电问题，除了提高蓄电池的能量密度以外，最近引起广泛关注的另一种有效方法是将能量生成装置和储能装置同时集成到自充电能源系统（SCPS）中，这就使得收集的能量可以存储起来实现可持续电力供应。研究人员已经成功研制出多种能量收集器件，包括光伏器件、摩擦纳米发电机（TENG）、压电纳米发电机（PENG）和热电器件等，这些能量收集器件可以与储能设备（电池、超级电容器）结合起来，进一步被集成在柔性、可穿戴电子设备中。

能量收集系统设计

自充电能源系统示意图

能量采集也为物联网的发展和改善带来巨大的好处，通过在环境中部署自供电的传感器节点，可获得一种总体拥有成本较低的解决方案。对于那些无需外部充电就能使用更长时间的应用来说，能量采集是提升其性能水平的一项关键要素。它还能大大降低电池更换的频率，从而节约成本，而电池更换通常比电池本身更花钱。在将“智能”发挥到极致，以及将物联网带到众多的新地点和应用中，能量采集扮演着重要角色。

本报告对多种能量收集技术原理进行阐述并实施对比分析，并重点介绍了能量收集技术创造新的业务及机遇，同时展示了能量收集的新产品情况，以及它们如何改变可穿戴电子设备和医疗保健。

电磁发电机、压电发电机和摩擦纳米发电机的基本原理

能量收集技术具有众多潜在应用，除了柔性/可穿戴电子设备和医疗保健，还包括植入式器件（如心脏起搏器）、运动监测、工业监控、自供电传感器等。但是也面临着一些问题：多数技术及产品仍处于概念验证阶段；整体系统的能量收集效率是目前最大的问题；选择适用于能量收集的电池、超级电容器系统非常重要……本报告提供各项能量收集技术的潜在应用领域介绍，以及新材料机遇和技术发展趋势，以阐述能量收集技术的成功之道。

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