／MorandFachot 中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化與技術(shù)評價(jià)中心 孟子舒（譯）張亮（校）／

能量采集永不停歇
——能量采集正在快速發(fā)展，給無數(shù)應(yīng)用設(shè)備供電

／MorandFachot 中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化與技術(shù)評價(jià)中心 孟子舒（譯）張亮（校）／

Pavegen地磚與太陽能板一同日夜工作，照亮里約的足球場路燈（圖片源自：Pavegen）

從周圍環(huán)境熱能或廢棄熱能、太陽能、熱能、動(dòng)能中收集低品位能源，并將其轉(zhuǎn)換成電能，能量采集應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。使大范圍輔設(shè)的傳感器在不需要外部電源的情況下運(yùn)行以及為多種移動(dòng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備供能的需要促進(jìn)了能量采集應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。如今，能量采集是驅(qū)動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要技術(shù)。

逐漸凸顯對工業(yè)的重要性

對于許多低功耗電子設(shè)備，如傳感器，從低品位能源收集能量是非常有吸引力的解決途徑。運(yùn)用能量采集，各種工業(yè)環(huán)境可逐漸獨(dú)立于電網(wǎng)和電池運(yùn)行（雖然后者仍可用作備用能源）。

根據(jù)環(huán)境和設(shè)備類型，不同類型能量可通過特定能量采集技術(shù)如采集熱電（TE，熱能回收）、壓電（動(dòng)能回收）或光電（太陽能回收）。

工業(yè)生產(chǎn)過程中需要就多種參數(shù)檢測和溝通，包括溫度、振動(dòng)和可能出現(xiàn)的故障跡象。這些工作最好通過傳感器完成，并逐步形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。

走向無線——眾望所歸

大范圍使用無線通訊協(xié)議使數(shù)據(jù)從傳感器傳送到集線控制器。由于安裝遠(yuǎn)程遙感儀器和為網(wǎng)絡(luò)或電池的供能成本昂貴又耗費(fèi)人力，能量采集技術(shù)的進(jìn)步擴(kuò)大了其使用范圍。

工業(yè)上50%以上的儀表安裝成本關(guān)系到規(guī)劃、布線（安裝、路線選擇和電纜保護(hù)）、設(shè)備的安裝和連接（接線盒、路徑）等。無線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)可極大地削減設(shè)備成本和操作時(shí)長。

通過IEC SC 65C：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，IEC開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定。IEC SC 65C起草了廣泛使用的IEC 62591∶2010（工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)—無線通訊網(wǎng)絡(luò)和通信規(guī)約—無線HART）。此標(biāo)準(zhǔn)提供了無線通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范、定義及規(guī)約，是IEC61158系列及其他IEC工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

廣泛的工業(yè)應(yīng)用

能量采集已廣泛應(yīng)用于傳感器和驅(qū)動(dòng)器供能，如特定類型的微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）。在工業(yè)領(lǐng)域及一般基于動(dòng)能（碰撞、壓力、振動(dòng)）的其他領(lǐng)域，如汽車和航空航天，能量采集應(yīng)用日益增多。

MSMS國際標(biāo)準(zhǔn)由IEC技術(shù)委員會(huì)TC 47（半導(dǎo)體設(shè)備）擬定，并由IECQ（IEC電子元器件質(zhì)量評定體系）進(jìn)行檢測認(rèn)證。

工業(yè)中無線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)已改進(jìn)了故障檢測方法，減少了電動(dòng)機(jī)和其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備的維護(hù)需求。

大多數(shù)基于動(dòng)能的能量采集系統(tǒng)通過壓電轉(zhuǎn)換器運(yùn)行。其國際標(biāo)準(zhǔn)由IEC TC49（頻率控制、選擇和探測用壓電、介電和靜電器件和相關(guān)材料）。

利用TE能量采集的自動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換器也廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，用來檢測異常溫度，防止設(shè)備故障。

除能量采集，一些無線傳感器同樣依靠用作備用能源的原電池和蓄電池或低能量密度設(shè)備。

如今在工業(yè)生產(chǎn)中，無線傳感是經(jīng)過檢驗(yàn)的成熟技術(shù)，通過不同來源的EH提升其靈活性和可靠性。

無限的潛力

在醫(yī)療領(lǐng)域，能量采集逐漸為傳感器供能。利用設(shè)備將心臟、肺和隔膜等器官的活動(dòng)轉(zhuǎn)化為能量，為可穿戴或可植入健康監(jiān)測設(shè)備（如心臟起搏器）供能的研究正在進(jìn)行。一項(xiàng)從體溫和身體移動(dòng)采集能量為納米級體溫傳感器提供緊湊持久的能量來源的項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)。IEC TC 113（電器電子產(chǎn)品與系統(tǒng)納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化）為此制定國際標(biāo)準(zhǔn)。

從碰撞和移動(dòng)采集的能量也可以大范圍使用，尤其是在每天運(yùn)動(dòng)和行走人數(shù)較多的地方可以為照明或指示牌供能。

能量采集路面或表面已在一些行人密集的區(qū)域如火車站、辦公大樓或體育設(shè)施投入使用，為節(jié)能燈或其他系統(tǒng)供能。

對急需能源的移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)、平板設(shè)備或智能手表，供過于求的缺陷之一是電池持續(xù)電量不足帶來的危機(jī)。新發(fā)現(xiàn)的一種可行途徑是從自然或人工照明采集能量為電池充電。相對于其他途徑，Wysips（你看到的是光伏發(fā)電表面）的技術(shù)是一種創(chuàng)新解決途徑，它將包括肉眼不可見的微透鏡網(wǎng)絡(luò)的太陽能薄膜嵌入屏幕。Wysips還能用于汽車（擋風(fēng)玻璃）和住房（窗戶）等。

不止用于小型設(shè)備

能量采集不止為小型設(shè)備充電。在高耗能領(lǐng)域（如運(yùn)輸），尤其涉及創(chuàng)新或改良的儲(chǔ)存系統(tǒng)時(shí)，對能量采集的需求與日俱增。

尤其是工業(yè)車輛和城市公共交通行業(yè)為能量采集提供了巨大潛力。

再生制動(dòng)充電和能量采集減震器已經(jīng)適配于汽車，為電池和提供額外電能的超級電容器充電。

在2007年5月的《完全電力混合動(dòng)力車輛》一文中介紹了一種密封免維護(hù)蓄電池與電容器的結(jié)合，可以從制動(dòng)或降低負(fù)載等再生反應(yīng)儲(chǔ)存能量，以在需要時(shí)能為其供能。

相對于傳統(tǒng)蓄電池車輛最多2%～3%的利用率，此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)存在電容器中80%的再生能量再次利用，僅僅通過中間1小時(shí)充電就將車輛工作能力提升至滿滿11小時(shí)。

IEC TC 21（蓄電池），為鋰離子電池制定國際標(biāo)準(zhǔn)。

IEC TC 40（電子設(shè)備用電容器和電阻器）已經(jīng)為超級電容器或雙電層電容器（EDLC）發(fā)布國際標(biāo)準(zhǔn)。該TC已確定結(jié)合EDLC和電池的混合EDLC需要適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化。

在賽道上留下屬于它的標(biāo)記

關(guān)于能量密集應(yīng)用中能量采集和相關(guān)儲(chǔ)存系統(tǒng)的潛能，一個(gè)引人注目的例子出現(xiàn)在2015年法國的勒芒24小時(shí)汽車耐力賽。這一年，名列前八位的汽車均為依據(jù)此類汽車比賽規(guī)定的混合動(dòng)力車。然而，由于比賽沒有規(guī)定特定混合動(dòng)力類型，儲(chǔ)存回收能量或電力傳輸理論、不同能量采集和能量儲(chǔ)存系統(tǒng)的方式均用于名列前位的三種類型汽車。

包括位列第一和第二位在內(nèi)，三種汽車均在前軸安裝了可在制動(dòng)回收動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)化到鋰離子電池中儲(chǔ)存的電動(dòng)發(fā)電機(jī)。加速過程中，儲(chǔ)存能量通過前輪為汽車全輪驅(qū)動(dòng)傳遞推動(dòng)力。其中兩種汽車的排氣系統(tǒng)安裝了輔助渦輪發(fā)電機(jī)組，同渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)共同運(yùn)作將廢氣流中的廢熱能量轉(zhuǎn)化為電能。這些汽車不僅在制動(dòng)時(shí)回收能量，而且在加速時(shí)回收能量。

另外三種汽車也有再生制動(dòng)系統(tǒng)，在制動(dòng)情況下回收汽車動(dòng)能并將其儲(chǔ)存在飛輪能量儲(chǔ)存系統(tǒng)?；厥盏哪芰侩S后在加速過程中提供輔助動(dòng)力。

前八名中兩輛以上汽車同樣依靠再生制動(dòng)系統(tǒng)：在超級電容器中儲(chǔ)存再生能量，隨后釋放能量通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪。

一般在賽車比賽中引入新技術(shù)，最終應(yīng)用于批量汽車生產(chǎn)，所以進(jìn)步的技術(shù)不大可能一直局限于汽車運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。

使用能量采集技術(shù)為大范圍設(shè)備及系統(tǒng)供能—從微型傳感器到工業(yè)車輛—開始帶來不計(jì)其數(shù)的應(yīng)用機(jī)會(huì)，也帶來利潤可觀的商業(yè)機(jī)會(huì)。這反應(yīng)在全球能量采集市場的交易數(shù)據(jù)上，根據(jù)2013年12月的數(shù)據(jù)報(bào)告，2012年持續(xù)保持在1.314億美元，但預(yù)計(jì)在2019年增至42億美元。

IEC必將通過技術(shù)委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)化工作在支持能源采集領(lǐng)域和相關(guān)技術(shù)，如能量儲(chǔ)存或納米技術(shù)推廣方面發(fā)揮核心作用。

（轉(zhuǎn)載請注明文章來自IEC e-tech。）