【ZiDongHua 之“自動(dòng)化學(xué)院派”收錄關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng) 可持續(xù)發(fā)展 傳感器 工業(yè)自動(dòng)化 智能家居】
　　
　　Webinar 精彩回顧 | 吳柯：顛覆電池依賴！環(huán)境能量收集三招破解IoT供電難題
 
　　
　　本期精彩回顧為加拿大蒙特利爾大學(xué)工學(xué)院教授、Electromagnetic Science科學(xué)顧問(wèn)吳柯的《邁向無(wú)電池物聯(lián)網(wǎng)與傳感系統(tǒng)的發(fā)展 —— 第一部分：環(huán)境能量收集技術(shù)與器件》。
　　
　　Webinar 精彩回顧
　　
　　主題：邁向無(wú)電池物聯(lián)網(wǎng)與傳感系統(tǒng)的發(fā)展 —— 第一部分：環(huán)境能量收集技術(shù)與器件
　　
　　· 解決的問(wèn)題：當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備主要依賴電池供電，導(dǎo)致能源消耗大、維護(hù)成本高，且更換電池不便，尤其是在大規(guī)模部署場(chǎng)景下。如何減少對(duì)電池的依賴，實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)、低維護(hù)的IoT系統(tǒng)是一個(gè)亟待解決的重大問(wèn)題。· 提出的方法：本次演講探討了利用環(huán)境能量收集（Ambient Energy Harvesting, AEH）技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注無(wú)處不在的無(wú)線射頻（RF）能量收集，結(jié)合與機(jī)械動(dòng)能、熱能轉(zhuǎn)換、光伏系統(tǒng)以及新型納米材料等混合收集手段，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與系統(tǒng)提供可持續(xù)而無(wú)處不在的廉價(jià)的電力來(lái)源。這些方法可幫助設(shè)備在無(wú)電池或極低能耗的情況下運(yùn)行。· 實(shí)現(xiàn)的效果：研究表明，環(huán)境能量收集技術(shù)能夠有效延長(zhǎng)IoT設(shè)備的工作壽命，減少對(duì)傳統(tǒng)電源的依賴，并且在智能家居、醫(yī)療監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。· 創(chuàng)新點(diǎn)：（1）采用多模態(tài)能量收集技術(shù)，提高能量轉(zhuǎn)換效率。（2）結(jié)合新型非線性電子器件選擇和設(shè)計(jì)，使設(shè)備可在極低能量環(huán)境下高效率收集運(yùn)行。（3）通過(guò)智能功率管理系統(tǒng)優(yōu)化能量收集與分配，實(shí)現(xiàn)高效能量利用。
　　
　　Webinar 內(nèi)容簡(jiǎn)介
　　
　　Abstract本報(bào)告系統(tǒng)回顧了器件技術(shù)、能量轉(zhuǎn)換與回收技術(shù)的演進(jìn)歷程及其階段性突破，重點(diǎn)聚焦于面向物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)與智能環(huán)境的低功率環(huán)境電磁能量收集技術(shù)，涵蓋低功率密度環(huán)境能量獲取及輻射式電磁能量轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵領(lǐng)域。結(jié)合無(wú)線通信系統(tǒng)的廣泛部署，深入探討環(huán)境射頻（RF）與微波能量源的特性及其在無(wú)線能量傳輸（WPT）與能量收集（EH）系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。如何高效利用并循環(huán)回收環(huán)境電磁能量，是當(dāng)前及未來(lái)無(wú)線供能技術(shù)和自供能物聯(lián)網(wǎng)傳感器件可持續(xù)發(fā)展的核心挑戰(zhàn)。本報(bào)告進(jìn)一步推導(dǎo)并提出滿足低功耗物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)及低占空比傳感應(yīng)用的環(huán)境能量收集關(guān)鍵性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。結(jié)合不同器件技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，評(píng)估其在低功耗無(wú)線系統(tǒng)中的可行性和性能上限。同時(shí)，圍繞環(huán)境能量收集領(lǐng)域的前沿進(jìn)展，重點(diǎn)介紹新興能量收集器件與技術(shù)，特別是我們提出的顛覆性創(chuàng)新方案，包括混合能量收集架構(gòu)及協(xié)同優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)范式，以提升能量轉(zhuǎn)換效率與系統(tǒng)魯棒性，為新一代自供能物聯(lián)網(wǎng)與傳感系統(tǒng)的構(gòu)建提供理論支撐與技術(shù)路徑。Concluding Remarks數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證與效率突破：（1）開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)雙重驗(yàn)證，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)高度吻合，首次揭示了肖特基二極管的效率上限（受限于熱噪聲）。（2） 模型支持參數(shù)獨(dú)立分析與優(yōu)化建議，為器件設(shè)計(jì)提供量化工具。協(xié)同混合能量收集：全球首次提出“協(xié)同混合環(huán)境能量收集”方案，在-40 dBm低功率下輸出功率提升100%，且可拓展至微波、動(dòng)能、熱能等多場(chǎng)景組合。反向隧道二極管革新：（1）首次驗(yàn)證反向隧道二極管在環(huán)境能量收集中的應(yīng)用，1微瓦輸入功率下轉(zhuǎn)換效率從5%躍升至18%，未來(lái)仍有巨大優(yōu)化空間。（2）熱效應(yīng)研究首次量化溫度對(duì)效率的影響，取決于輸入功率大小，揭示某個(gè)常用肖特基二極管存在在15°-20°C間存在著最佳工作點(diǎn)。General Conclusion器件非線性是關(guān)鍵·環(huán)境能量收集需采用超高非線性器件（如隧道二極管、磁隧道結(jié)器件），突破肖特基二極管的物理限制（熱電壓瓶頸）。技術(shù)路線圖·材料創(chuàng)新：金屬-絕緣體-金屬（MIM）二極管、二維材料堆疊陣列等等全新技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)更高電流響應(yīng)率。·電路優(yōu)化：動(dòng)態(tài)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)適配高阻抗器件，釋放性能潛力。·混合架構(gòu)：多源能量協(xié)同采集（如電磁+動(dòng)能），提升系統(tǒng)魯棒性。未來(lái)場(chǎng)景·自供能城市：路燈、傳感器“吸”環(huán)境電磁波能量運(yùn)行，無(wú)需電網(wǎng)依賴。·極端環(huán)境應(yīng)用：-40°C極寒或高溫場(chǎng)景下，自適應(yīng)溫度調(diào)控技術(shù)保障效率穩(wěn)定。·核心價(jià)值：從理論模型到器件革新，為無(wú)電池物聯(lián)網(wǎng)鋪平道路——讓設(shè)備像植物一樣，從環(huán)境中“光合”能量。
　　
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　　圖1：演講大綱
　　
　　圖2：無(wú)線能源需求和解決方案