从电磁波中汲取能量

2016年07月09日03:14 经济日报

新闻爆料:finance@china.org.cn 电话:(010)82081166

　　从智慧城市到物联网世界，数量庞大的传感器无处不在，但每隔一段时间，就要为其充电或更换电池；智能手机为人们的生活带来极大便利，其电池续航力却显得美中不足，限制了随心所欲的用户体验。为确保这些用电设备不“使脸色”不“罢工”，能否让它们得到源源不断的电能供应？

　　其实，能量无所不在，各种用电设备都被能量包围着，主要包括光照、温差、运动或振动、电磁波等。但目前从周围环境中收集能量，主要存有2个难点：一是如何找到转化和储存能量的方法以便持续使用，像太阳能之类的能量并非随时可用，既需要转化，又需要贮存；二是如何将相应的集能芯片做得小巧，以便整合到电子设备中。

　　环境能源利用技术大多围绕上面的2个难点深入开发。目前，实现产业化的集能芯片主要分为动能型、温差型、光能型和磁能型4类：动能型芯片以动作或运动为基础，将动能转化为电能。这类芯片主要用于为手表充电，或与一些移动中的设备绑定在一起使用；温差型芯片是利用身体表面与外界环境的温度差异发电。由于人体与周围环境的温差通常有限，大约能产生200毫伏左右的电压，这适合那些可以在低压情况下运转贴近人体的电子设备；光能型芯片则利用光电效应，将太阳能直接转变为电能。目前，这类芯片已用在为大部分传感器供电。磁能型芯片是利用电磁波发电。电磁波是一种能量的传播形式，有着多种应用，包括无线数据网，各种移动通信以及无线电广播等。由于电磁波在自然界广泛存在，从其中收集能量，对于低能耗电子器件来说应用十分广泛。

　　以往，从电磁波中收集能量所用的是偶极贴片天线，因其收集电能的效率太低，基本上没有实际应用价值；为解决这个问题，研究人员尝试采用多频段天线汲取能量，将具备一定强度的电磁波和无线电信号转化为直流电，甚至能从设备本身发射出的无线电信号中收集能量。

　　多频段天线能够探测、利用和反射电磁波，既能避免电量过多浪费在信号发射上，也能大幅增加智能设备的电池续航力。目前，利用多频段天线收集的能量约可达到5毫瓦。通过改进整流组件，优化能源管理系统，进一步提高整流效率，有望将收集功率提升到20毫瓦，这样就可为手机、可穿戴设备等低能耗电子设备供电。当然，低水平的能量收集，不会影响手机通话或数据传递的质量，其存在的问题主要是随着无线电频率发生变化所汲取的能量上下起伏，距离信号源越近通常能量越强。

　　最新研究发现，利用超构表面能大幅提高从电磁波中收集能量的效率。超构表面是一种厚度小于波长的人工层状材料，由在材料表面蚀刻周期性精简图案而形成。根据面内的结构形式，超构表面可分为两种：一种具有横向亚波长的微细结构，一种为均匀膜层。通过超表面可实现负折射、负反射、极化旋转、汇聚成像、传播波向表面波转化等新颖物理效应，可对电磁波相位、传播模式等特性灵活调控。这些图案特有的尺寸和彼此相邻的特点可用来调谐，能量吸收率接近100%。这是一种比传统天线有效得多的能量收集方式。由于超构表面技术对于电磁能的吸收率比传统天线高得多，因此可以大幅减少收集能量所需的表面积。如此，就可以缩小电池的体积，更容易整合到各种小型无线电子器件中。

　　从电磁波中收集能量有望在很多领域得到应用，包括可穿戴设备、智能家居、传感器等需要不间断供电的设备设施。尤其难能可贵的是，利用这项技术的智能传感器可以永久性植入建筑物或人们不便打开的设施中，如植入桥梁，用于监视钢筋混凝土的健康状况，一旦发现裂缝便发出警报。

　　总之，从周围环境中收集能量有其独到用途，从电磁波中汲取电能，对于那些需要不间断供电的低能耗设备来说，如虎添翼。作为一项很具吸引力的前沿技术，人们自然对其未来充满期待。今后，关键是进一步提高能量汲取的效率，优化整流系统，让这项技术可以便捷地整合到电子器件中。

(责任编辑：罗伯特)

免责声明：中国网财经转载此文目的在于传递更多信息，不代表本网的观点和立场。文章内容仅供参考，不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。