Enabling Intelligence in battery-powered IoT Devices
在電池供電的物聯網設備中實現智慧
物聯網背後的關鍵驅動因素是感測器和發射器，它們需要自主供電。本文探討了哪種自主電源最適合打造更智慧的家庭、城市和社會。
PowerFilm Inc. 首席執行官兼聯合創始人 Frank Jeffrey 博士
有人將物聯網 (IoT) 稱為：「「一個真實、數位和虛擬正在融合，以創建使能源、交通、城市和許多其他領域更加智慧的智慧環境的世界。1 」一些預測到 2020 年將有 500 億台設備連接到網路。2物聯網不是科幻小說；它甚至不是全新的。儘管如此，它仍在以令人難以置信的速度成長。
考慮到這種成長，公司正在策略轉型，以利用這一機會。通用電氣(GE) 計劃從康涅狄格州費爾菲爾德搬到麻省理工學院(MIT)所在地馬薩諸塞州。麻省理工學院正在為物聯網投入資源，通用電氣董事長兼首席執行官杰弗裡伊梅爾特談到了行動的優勢：「我們希望成為與我們有共同願望的生態系統的中心。3」
科技巨頭諾基亞正在大力投資物聯網。首席執行官 Rajeev Suri 說：「我們正在通過諾基亞成長夥伴推出 3.5 億美元的物聯網投資基金。我們的目標是幫助加速廣泛的物聯網生態系統的發展，增加對連接的需求，並從對極具吸引力的機會的投資中獲得回報。4 」
雖然這些行業的巨頭正在做出重大改變，但他們並不孤單。我們生活的這個日益互聯的社會，催生了以物聯網為核心的公司。例如，最近的新創公司 LitBit 正試圖透過更新「遺留物聯網系統」，來使過時的數據中心監控系統變得更加智慧。該公司已籌集了總計 1000 萬美元的風險投資。5
由於物聯網，許多其他公司如雨後春筍般湧現，並且每天都有更多公司推出。這些投資不是一個小決定。GE、諾基亞和 LitBit 等新創公司，押注物聯網熱潮才剛剛開始。
隨著物聯網的快速發展和公司貪婪地追求潛在機會，重要的是要記住物聯網背後的關鍵驅動因素，是感測器和發射器。為了創造更智慧的家庭、城市和社會，自動化非常圍的廣泛，多種電源要求開始發揮作用。傳統上，家用電器和工業自動化設備都連接到電力線，從而使電力隨時可用。其他應用位於不方便使用線路電源的位置，因此需要自主電源。這些用於感測器和發射器的自主電源通常是必須更換的電池。
可再生能源提供了一種經濟的替代方案。透過延長電池壽命或完全更換電池，熱量、運動和光可用於為物聯網繁榮提供動力。
各種應用的電源要求範圍很廣。使用蜂窩連接傳輸數據的半掛車上的資產追踪應用，每天需要 1 到 5 瓦時。可能透過 Wi-Fi 或藍牙調用工業建築內，狀態數據的監控感測器所需的功率要少得多 —— 每天只需幾毫瓦時。與中央電腦通信的家庭安全系統，需要它們之間的某些東西。
滿足這些不同的電源需求需要一系列電源和電池。在鋰電池價格持續下降的同時，延長電池壽命或完全取消電池，為物聯網系統整合商、設備製造商和用戶提供了明顯的經濟效益。三種常見的自主電源包括熱電、動力和光伏 (PV) 系統。
熱電器件
當溫度梯度可用時，熱電設備用作感測器的電源，例如，熱源和帶有環境空氣或冷卻風扇的散熱器。這種功率轉換的基礎，是在不同材料之間產生的電壓和由溫度梯度驅動的電流。
構成熱電裝置的兩種不同材料，通常是正摻雜半導體和負摻雜半導體，它們的結位於熱源處。半導體的另一側是散熱器。電壓值取決於具體材料，而電流通常取決於溫差。半導體材料需要具有高熱阻，以保持高溫差。儘管如此，對於 50°C 的溫差，功率通常接近 100 mW，而對於 10°C 的溫差，功率通常只有幾十毫瓦。
熱電發電最適用於發動機等應用中的感測器，在這些應用中，可以使用自然溫度梯度。由於沒有行動部件，這種方法非常可靠。
動能發電
動能或循環機械運動，例如移動車輛或人類行走的振動，也用於為感測器發電。最常見的轉換方法包括電磁裝置，其中磁鐵通過振盪運動，在線圈中來回移動。機械運動決定了可用功率。
從 10 到 100 毫瓦的小功率消耗對機械系統的影響最小。然而，從人體運動中獲取大量能量會消耗個體的大量能量，並且可能適得其反。
使用這種方法，只有運動才能獲得動力。此外，機械運動一般會導致多個部件的磨損；因此，設備的壽命是有限的。
光伏發電
任何強度或波長的光都通過適當的半導體光伏器件發電。一個簡單的光伏器件包括一個正極和負極摻雜半導體的結，在它們的結上產生電壓。吸收光的半導體產生載流子，載流子又提供電流。
器件的電壓由半導體的特性決定。電流將與光強度成正比。
單個設備可以輕鬆串聯以提供滿足特定需求的電源。這些固態設備非常耐用，使用壽命長。它們也非常通用 —— 它們唯一的限制是如果應用無法使用光。特別是一種光伏技術 —— 非晶矽 —— 可以具有非常低的光照水平（低至 200 Lux），並且可以由室內光源而不是室外陽光提供光線。
計算電力需求
要準確確定光伏解決方案的規模，第一步是計算電力需求。24/7 全天都會有低水平的待機需求。在建立連接和傳輸數據期間，也會出現需求高峰。在穩態待機模式下，典型的藍牙系統可能會消耗幾微瓦的小電平。典型的傳輸週期將需要高達一秒鐘的更高輸出。如果應用程序每分鐘傳輸一次數據，這將是每天 1440 次傳輸。
為了獲得當天使用的電力，需要將備用電力添加到這些傳輸的電力消耗中。為了提供合理的餘量，光伏組件應全年提供平均每天兩倍的要求。
下面是一個例子：
• 穩態：3 µW 連續
• 突發消耗：1.5 mW 平均超過突發
• 突發持續時間：1 秒
• 突發頻率：1/分鐘
• 能源消耗：
- 待機：24 小時/天 × 3 µW = 72 µW 小時/天
- 突發：1.5 mW × 1 秒。× 1/min × 60min/h × 24 小時/天 = 600 µW 小時/天
- 每日總計：72 µW 小時 + 600 µW 小時 = 672 µW 小時/天
• 面板需要提供兩倍於該功率的功率，即 1.35 mW 小時/天。
• 如果面板位於每天開燈 10 小時的工作區，則面板在環境光下需要產生約 135 µW 的功率來為該負載供電。
• 製造在低光下表現最佳的非晶矽面板可以在低至 400 勒克斯的光照水平下在幾平方英寸的材料中提供這一點。
為什麼 Amorphous 是室內物聯網的最佳選擇？
所有 PV 都對光敏感，但出於多種原因，包括單片互連和有限的洩漏模式，非晶矽是室內物聯網應用中的最佳 PV 選擇。
這個 OEM 模組的彎曲說明了非晶矽的靈活性和可訂制性的一個例子。
在小區域，例如用於物聯網感測器和發射器的室內光伏面板，串聯互連有助於最大限度地提高功率輸出。其他光伏技術可以在室內環境中工作，但它們需要更多的工程和相關費用。Amorphous 的最大功能和易於製造使其成為大規模生產和室內使用的理想選擇。
漏電模式是太陽能模組中允許產生的電力逃逸，而未使用的區域。模組中的洩漏路徑越多，該模組必須創建的越多以克服這一缺陷。與其他技術相比，非晶矽具有極低的洩漏模式。因此，你幾乎可以保留你創造的所有能量，在光線非常寶貴的地方最大限度地提高回報。
結論
大大小小的公司都在迅速行動，以抓住物聯網生態系統爆炸性成長的機會。室內自動化電源，對於在未來幾年幫助擴展物聯網非常重要。「一勞永逸」的力量比以往任何時候都更加重要。
考慮到三種最常見的自主電源 —— 熱電、動能和光伏 —— 非晶矽成為為感測器、發射器和物聯網解決方案的其他重要部分，供電的明確選擇，尤其是室內解決方案。由於固有的設計特性，它為特定應用的製造和客製化提供了無與倫比的靈活性。
由於其獨特的設計和物理特性，非晶矽在室內是可靠的，並且在安裝後需要最少的關注。實施非晶解決方案的系統整合商、設備製造商和最終用戶，無疑將能夠延長電池壽命，並最終降低解決方案維護成本。
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