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数万亿微型太阳能电池板如何为物联网供电

发布时间:2019-08-24 00:17:34 编辑:笔名

它预示着我们的生活方式的重大飞跃。,一个关于物件之间可以通过全球性网络互连的概念,将在走进千家万户,帮你保持健康甚至查看你冰箱中食物的数量。这意味着到2020年将有上万亿的新型 智能传感器 安装在世界每个角落。但我们可以用什么给这些设备供电?

在某些情况下,能量来源是显而易见的:冰箱或者交通信号灯中的传感器可以直接接入主电源获取能量。但对于像检测遥远水库的水质,铁路线的裂缝,或者农家奶牛的健康及情绪等行为的物质进行能源供应是很棘手的。

有机太阳能电池板或许是一个解决方案。它们价钱便宜,而且相当灵活,无论微型传感器外形怎样都可以为其供电。它的单元大小可以做到仅两微米厚 大约只有人类头发宽度的1/50 但却可以通过如此小的表面接收大量的光线。

这些有机光伏电池(OPVs)不同于硅太阳能电池,因为它们可以完全由特殊的合成有机材料制作,这些材料常附着在诸如PET这样的廉价基板上,PET亦即用于软饮料瓶盖和食品包装袋上的一种聚酯材料。并且上述这种特殊材料更轻,更灵活,甚至可以调制成不同的颜色 谁说太阳能电池必须是纯黑色的啦?

用粉色太阳能板让你的家活泼起来

重要的是,只需要一天的时间,OPVs就能将它们所消耗的能量充满,所用时间也就是人们所称的 能量偿还时间 ,相比之下,通常的硅太阳能电池板花费的时间大约是1到2年。

有机光伏电池也可以安装至像屋顶瓦片或甚至衣物这样的三维表面。我与同事们在我们的研究中证明,这样的形式让它更有效的捕捉弥漫性或者倾斜的光线。或许这对于一个阳光明媚的国家内的太阳能农场并没有太大差别,但对于那些高纬度云量较多的地区效果就相当明显了。

并且,这样的改变对于物联网更可谓是前沿的。这数万亿个传感器只有少数一些会正面朝上的安放在阳光之下;更多的是安装在光只能间接照射到的位置。微型有机太阳能电池将可以全天捕获太阳能,甚至能安放在室内或者衣服上。

不可否认这样的技术有巨大的需求。 万亿个传感器 的概念乍看之下相当怪异,但仔细考虑我们所身处的现实,就以一台典型的智能手机为例,就有用于诸如测光、温度、声音、接触、运动、位置、湿度等的数十个传感器。今年将有超过10亿台手机被售出,所以仅在这些手机上就有100亿个新的传感器。当然,不止在智能手机上有智能传感器,它们还常用于个人护理,环境监测,安全和运输领域上。

无论确切数字是多少,可以假设,未来将有越来越多的传感器被安装使用,并且它们的复杂性和实用性将会呈几何级数增长。我和我在班戈大学(Bangor Universoty)的同事对于我们可以如何为它们供电非常感兴趣,这就是我们研究有机太阳能电池板的原因。

可弯曲的电池板?有机太阳能电池板可以塑造为能适应不同的表面或设备的形态。

虽然工程师总是尝试去通过更好的设计,并试图让传感器在未使用时 睡眠 来降低能源消耗,但低功耗的传感器每次测量仍需消耗大约 .5mW(毫瓦)的电。而质量更差的传感器所耗功率更为巨大。

假设我们每隔一分钟进行一次测量,并且每次测量要耗费 0秒,而 普通 传感器每次测量实际消耗5mW,,那么这样一个普通传感器一年将消耗22Wh(瓦-时)。对于它自身而言,这并不是什么极大的损耗,仅仅相当于你家的电视运行5分钟的功率。

但将所有传感器损耗的能量全部相加起来。基于上述的单个传感器分析,1万亿个传感器每年将耗掉21,900千兆瓦时(千兆瓦-时)的电。这是一个数量惊人的电网需求量,相当于几个普通核电站的联合输出。并且,这当中还没有算上处理和存储这些大量数据的数据中心所需消耗的电能。

单个有机太阳能电池(左侧)可以绕在一根人类头发丝上 同时仍可以发电。

的确,低功耗电子设备将被开发以用于降低这些传感器的能量需要。但是从长远角度考虑,许多传感器不能仅依靠内部的电池供电,因为电池仅有有限的能量。特别是对于众多安放在偏远地区,远离电网或者没有电源连接的智能传感器,这更是一个显而易见的问题。

因此我们必须创造可以从它们所处环境中获得能量的智能传感器,而有机太阳能电池技术则能在这一领域找到其用武之地。

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