從電磁波中汲取能量

2016年07月09日03:14 經濟日報

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　　從智慧城市到物聯網世界，數量龐大的感測器無處不在，但每隔一段時間，就要為其充電或更換電池；智慧手機為人們的生活帶來極大便利，其電池續航力卻顯得美中不足，限制了隨心所欲的用戶體驗。為確保這些用電設備不“使臉色”不“罷工”，能否讓它們得到源源不斷的電能供應？

　　其實，能量無所不在，各種用電設備都被能量包圍著，主要包括光照、溫差、運動或振動、電磁波等。但目前從周圍環境中收集能量，主要存有2個難點：一是如何找到轉化和儲存能量的方法以便持續使用，像太陽能之類的能量並非隨時可用，既需要轉化，又需要貯存；二是如何將相應的集能晶片做得小巧，以便整合到電子設備中。

　　環境能源利用技術大多圍繞上面的2個難點深入開發。目前，實現産業化的集能晶片主要分為動能型、溫差型、光能型和磁能型4類：動能型晶片以動作或運動為基礎，將動能轉化為電能。這類晶片主要用於為手錶充電，或與一些移動中的設備綁定在一起使用；溫差型晶片是利用身體表面與外界環境的溫度差異發電。由於人體與周圍環境的溫差通常有限，大約能産生200毫伏左右的電壓，這適合那些可以在低壓情況下運轉貼近人體的電子設備；光能型晶片則利用光電效應，將太陽能直接轉變為電能。目前，這類晶片已用在為大部分感測器供電。磁能型晶片是利用電磁波發電。電磁波是一種能量的傳播形式，有著多種應用，包括無線數據網，各種行動通訊以及無線電廣播等。由於電磁波在自然界廣泛存在，從其中收集能量，對於低能耗電子器件來説應用十分廣泛。

　　以往，從電磁波中收集能量所用的是偶極貼片天線，因其收集電能的效率太低，基本上沒有實際應用價值；為解決這個問題，研究人員嘗試採用多頻段天線汲取能量，將具備一定強度的電磁波和無線電信號轉化為直流電，甚至能從設備本身發射出的無線電信號中收集能量。

　　多頻段天線能夠探測、利用和反射電磁波，既能避免電量過多浪費在信號發射上，也能大幅增加智慧設備的電池續航力。目前，利用多頻段天線收集的能量約可達到5毫瓦。通過改進整流組件，優化能源管理系統，進一步提高整流效率，有望將收集功率提升到20毫瓦，這樣就可為手機、可穿戴設備等低能耗電子設備供電。當然，低水準的能量收集，不會影響手機通話或數據傳遞的品質，其存在的問題主要是隨著無線電頻率發生變化所汲取的能量上下起伏，距離信號源越近通常能量越強。

　　最新研究發現，利用超構表面能大幅提高從電磁波中收集能量的效率。超構表面是一種厚度小于波長的人工層狀材料，由在材料表面蝕刻週期性精簡圖案而形成。根據面內的結構形式，超構表面可分為兩種：一種具有橫向亞波長的微細結構，一種為均勻膜層。通過超表面可實現負折射、負反射、極化旋轉、匯聚成像、傳播波向表面波轉化等新穎物理效應，可對電磁波相位、傳播模式等特性靈活調控。這些圖案特有的尺寸和彼此相鄰的特點可用來調諧，能量吸收率接近100%。這是一種比傳統天線有效得多的能量收集方式。由於超構表面技術對於電磁能的吸收率比傳統天線高得多，因此可以大幅減少收集能量所需的表面積。如此，就可以縮小電池的體積，更容易整合到各種小型無線電子器件中。

　　從電磁波中收集能量有望在很多領域得到應用，包括可穿戴設備、智慧家居、感測器等需要不間斷供電的設備設施。尤其難能可貴的是，利用這項技術的智慧感測器可以永久性植入建築物或人們不便打開的設施中，如植入橋梁，用於監視鋼筋混凝土的健康狀況，一旦發現裂縫便發出警報。

　　總之，從周圍環境中收集能量有其獨到用途，從電磁波中汲取電能，對於那些需要不間斷供電的低能耗設備來説，如虎添翼。作為一項很具吸引力的前沿技術，人們自然對其未來充滿期待。今後，關鍵是進一步提高能量汲取的效率，優化整流系統，讓這項技術可以便捷地整合到電子器件中。

(責任編輯：羅伯特)

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