對于我們的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，如何收集少量的能量作為動(dòng)力分析

愛因斯坦的相對論描述了引力波的物理性質(zhì)。它們帶來能量，非常低的能量值，不像太陽免費(fèi)發(fā)送給我們的光子(量子)，無需任何額外費(fèi)用來為我們的房屋供電。太陽本身代表了最重要的無限來源，它使我們能夠使用免費(fèi)電力或收集太陽能來發(fā)電。新的設(shè)計(jì)和制造方法使現(xiàn)代太陽能電池板更實(shí)惠、更高效?；盍κ占占倭康哪芰?，為現(xiàn)在接近物聯(lián)網(wǎng)的各種小型設(shè)備提供動(dòng)力。

光伏電池 (PV) 是一種能量收集技術(shù)，通過稱為“光伏效應(yīng)”的過程將太陽能轉(zhuǎn)化為有用的電能(歸因于光電效應(yīng)——光伏和光電可以追溯到相同的概念)。有幾種類型的光伏電池使用半導(dǎo)體與來自太陽的光子相互作用以產(chǎn)生電流。在實(shí)踐中，光子激發(fā)材料中的電子，使它們脫離軌道以產(chǎn)生電流。光伏電池由多層材料組成，每一層都有特定的用途。光伏電池中最重要的層是經(jīng)過特殊處理的半導(dǎo)體層。它由兩個(gè)不同的層(P 型和 N 型)組成，實(shí)際上是將太陽能轉(zhuǎn)化為有用的電能。半導(dǎo)體的兩側(cè)是一層導(dǎo)電材料，可以“收集”產(chǎn)生的電力。電池的背面或陰影面可以完全覆蓋，而正面或光照面必須利用太陽的位置來收集盡可能多的光子。僅涂在電池受光面的最后一層是抗反射涂層。由于所有半導(dǎo)體都是自然反射的，因此反射損耗可能很大。僅涂在電池受光面的最后一層是抗反射涂層。由于所有半導(dǎo)體都是自然反射的，因此反射損耗可能很大。僅涂在電池受光面的最后一層是抗反射涂層。由于所有半導(dǎo)體都是自然反射的，因此反射損耗可能很大。

接觸帶電是一種在兩種不同材料直接接觸并隨后分離時(shí)在它們上產(chǎn)生表面電荷的過程。在接觸過程中，每種材料都會(huì)產(chǎn)生相反極性的電荷。近年來，摩擦電能量收集系統(tǒng)的開發(fā)取得了重大進(jìn)展，稱為摩擦電納米發(fā)電機(jī)(TENG)。這些系統(tǒng)需要最少數(shù)量的組件：至少兩層摩擦電材料、兩層材料之間的物理分離、用于電力收集的電極和一個(gè)調(diào)節(jié)電路，以最大限度地提高能量收集效率。

熱能收集包括從環(huán)境中獲取可自由利用的熱量，或轉(zhuǎn)換和利用發(fā)動(dòng)機(jī)、人體和其他來源排放的廢能。熱能直接轉(zhuǎn)換為電能可以通過塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，其中通過適當(dāng)設(shè)計(jì)的熱電裝置感應(yīng)的熱流產(chǎn)生電壓和電流。熱電器件 (TEG) 的基本組件包括單個(gè)結(jié)構(gòu)的 P 和 N 型熱電材料，正如我們在太陽能中看到的那樣，每個(gè)結(jié)構(gòu)都串聯(lián)電連接。通過在熱和電方面將許多 PN 對并聯(lián)，可以構(gòu)建一個(gè)典型的 TEG 模塊，該模塊產(chǎn)生與熱梯度(溫差)成比例的電壓。熱電發(fā)電模塊或 TEG 已在許多應(yīng)用中使用，例如收集由放射性物質(zhì)衰變發(fā)出的熱量的宇宙飛船。用于臨床的可穿戴電子產(chǎn)品的新興領(lǐng)域還提供了通過體熱為設(shè)備供電來收集熱電能量的可能性。

從振動(dòng)中收集能量使用與旋轉(zhuǎn)機(jī)器相關(guān)的低水平自然資源，例如電動(dòng)機(jī)或人體運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生幾百微瓦或幾毫瓦的功率。用于此目的的壓電換能器是非對稱晶體的一個(gè)子類。材料晶胞中的不對稱性建立了晶體變形導(dǎo)致小的電位差的機(jī)制。然而，為了細(xì)化壓電換能器的特性，有必要充分了解振動(dòng)物體的頻率分布并確定諧振頻率。對于某些應(yīng)用，例如電機(jī)，可以很容易地確定振動(dòng)的特性和共振頻率。在其他情況下，為了獲得足夠的理解，有必要用加速度計(jì)測量物體的振動(dòng)(我們將在下一章中看到)并分析通過快速傅里葉變換(FFT)算法獲取的數(shù)據(jù)的頻率特性。然后我們獲得共振頻率。

無線射頻 (RF) 能量收集可延長便攜式設(shè)備的電池壽命。電磁波來自多種來源，例如衛(wèi)星站、GSM/5G 和 Wi-Fi 互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。射頻能量收集系統(tǒng)可以捕獲電磁能量并將其轉(zhuǎn)換為可用于為負(fù)載供電的直流電壓。主要布局由天線和整流器電路組成，可讓您將射頻功率或交流電(AC 或 AC)轉(zhuǎn)換為直流電信號。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò) (IMN) 確保射頻源和負(fù)載之間的最大功率傳輸。收集射頻能量只是利用太陽能、振動(dòng)和風(fēng)能等其他來源可以完成的工作的一個(gè)例子。收集射頻能量使用捕獲傳輸?shù)碾姶挪ú⑵浯鎯?chǔ)以供以后使用的想法。天線的效率主要取決于其阻抗和調(diào)節(jié)電路的阻抗。如果兩個(gè)阻抗不匹配，則不可能從自由空間接收所有可用功率。阻抗匹配定義天線阻抗是調(diào)理電路(倍壓電路)阻抗的復(fù)共軛。該領(lǐng)域?qū)＜业倪m應(yīng)和調(diào)節(jié)電路使能量收集變得高效。在這種類型的應(yīng)用中已經(jīng)采用了各種天線，從簡單的偶極子到更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如螺旋配置。雖然后者提供了良好的偏振性能，它通常僅限于寬度為幾百兆赫茲的寬帶設(shè)計(jì)。目前，由于每個(gè)天線元件需要復(fù)雜的供電機(jī)制，多頻窄帶設(shè)計(jì)通常受到限制。市場上有很多 900 MHz 天線，只需注意適配器類型(SMA、BNC 等)選擇一種即可。沒有什么能阻止您直接在 PCB(印刷電路板)中構(gòu)建天線。天線必須有一個(gè)接地平面以優(yōu)化效率。接地平面的大小會(huì)影響天線的增益、諧振頻率和阻抗。只需選擇一個(gè)注意適配器類型(SMA、BNC 等)。沒有什么能阻止您直接在 PCB(印刷電路板)中構(gòu)建天線。天線必須有一個(gè)接地平面以優(yōu)化效率。接地平面的大小會(huì)影響天線的增益、諧振頻率和阻抗。只需選擇一個(gè)注意適配器類型(SMA、BNC 等)。沒有什么能阻止您直接在 PCB(印刷電路板)中構(gòu)建天線。天線必須有一個(gè)接地平面以優(yōu)化效率。接地平面的大小會(huì)影響天線的增益、諧振頻率和阻抗。

談到太陽能存儲(chǔ)，首先想到的是越來越多地使用電池與光伏系統(tǒng)相結(jié)合，無論是小規(guī)模還是大規(guī)模使用。然而，可以儲(chǔ)存的不僅僅是電力。當(dāng)前能源轉(zhuǎn)型中一個(gè)同樣重要的因素是捕獲和儲(chǔ)存太陽能熱能的能力。這個(gè)目標(biāo)并不容易實(shí)現(xiàn)，尤其是當(dāng)您需要一個(gè)可以長時(shí)間儲(chǔ)存熱量的系統(tǒng)時(shí)。近年來，這一挑戰(zhàn)導(dǎo)致了新研究方向的發(fā)展，完全旨在根據(jù)要求創(chuàng)建太陽能蓄電池。有效收集和儲(chǔ)存太陽熱能是利用到達(dá)地球表面的豐富太陽輻射的重要步驟。最現(xiàn)代的系統(tǒng)使用具有高光學(xué)濃度的昂貴材料，這會(huì)導(dǎo)致大量熱損失。該設(shè)備將分子能物理與潛熱儲(chǔ)存相結(jié)合，為太陽能的 24/7 收集和儲(chǔ)存提供集成解決方案。混合范式使用白天的熱量定位，在小范圍內(nèi)提供 73% 的收集效率，在大范圍內(nèi)提供約 90% 的收集效率。與最新一代系統(tǒng)不同，在夜間，混合動(dòng)力系統(tǒng)積累的能量以 80% 的效率和比白天更高的溫度回收。與依靠光伏技術(shù)直接發(fā)電的太陽能電池板和電池不同，這種混合設(shè)備從太陽中捕獲熱量并將其存儲(chǔ)為熱能。經(jīng)典的硅光伏系統(tǒng)當(dāng)然可以算是成熟的技術(shù)，這可以進(jìn)一步提高，但接近性能的理論極限。目前，雙面太陽能電池板是一個(gè)值得關(guān)注的有趣設(shè)備，因?yàn)樗鼈儾粌H從太陽中捕獲能量，而且還間接地從反照率中捕獲能量，即從巖石、瀝青等反射的光。可再生能源的缺點(diǎn)之一風(fēng)能和太陽能等，正是它們的間歇性，因此需要能夠安全、經(jīng)濟(jì)地儲(chǔ)存大量電力的電池。

集成系統(tǒng)還減少了熱損失，因?yàn)椴恍枰ㄟ^管道傳輸存儲(chǔ)的能量。低成本、高效率的太陽能存儲(chǔ)技術(shù)已成為一個(gè)非常重要的關(guān)注課題，許多好的想法正在涌現(xiàn)。人工智能可以對可再生資源產(chǎn)生若干積極影響。例如，通過智能電網(wǎng)，可以調(diào)節(jié)和優(yōu)化電網(wǎng)流量，以最大限度地減少與太陽能和風(fēng)能間歇性相關(guān)的問題，并減少使用熱電廠補(bǔ)償電網(wǎng)失衡的需要。