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太阳能|太阳能、热能、机械能，无处不在的能量收集和转化

近年来 ， 随着物联网技术和移动通信技术的日益成熟 ， 智能穿戴设备得到了迅速发展 。 广泛应用于航空、医学、军事、娱乐等领域 。 通过智能可穿戴设备 ， 人们可以有效地交流 ， 动态感知外部环境 ， 并监测身体的生命体征 。 该装置还可以及时反馈和处理信息 。 然而 ， 一方面 ， 可穿戴设备受到舒适性、便携性和小型化要求的限制 。 另一方面 ， 传统电池也存在质量大、体积大、电池寿命短、供电寿命有限等问题 。 另外 ， 非有功发电功率密度低 ， 连续性差 ， 不足以长期支撑设备 。 能源供应一直是制约可穿戴设备进一步发展的瓶颈 。
SCIENCE CHINA Information Sciences发表MOOP文章 ， 提出一种可穿戴的泛在能源系统 。 通过可穿戴的衣服和装置 ， 可以有效地收集人类活动产生的太阳能、热能和机械能等无处不在的能量 ， 并将其转化为电能进行综合利用 。 它既可以避免单一能源供应的环境限制 ， 又能满足低功耗穿戴设备正常使用的能源需求 。 这是解决智能穿戴设备能源供应问题的有力手段 。
无处不在的能量收集
不同类型的能源有着截然不同的获取机制 。 以下三种能量收集装置是根据不同的使用环境设计的 ， 如图1所示 。
太阳能|太阳能、热能、机械能，无处不在的能量收集和转化
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（1） 太阳能 。 太阳能在自然界中广泛存在 ， 蕴藏着巨大的能量 。 利用半导体材料的光电转换特性 ， 可以将太阳能转化为电能 。 太阳能收集和可穿戴概念的最有效结合是制作太阳能服装 ， 如图1（a）所示 。 转换效率的提高和柔性太阳能电池技术的发展为太阳能服装的能量收集装置奠定了基础 。 正常行走时 ， 身体后部长时间暴露在阳光下 。 多个柔性太阳能电池通过电线连接在一起 ， 形成一个柔性太阳能电池阵列 ， 放在衣服的背面 。 太阳能电池阵列成为太阳能衣服的一部分 ， 整个衣服都是轻的 。 在长时间没有外接电源的情况下 ， 该装置能够将连续不断的太阳能转化为电能 ， 为便携式设备供电 。
（2） 热能 。 人体与外界环境之间存在温差 。 利用温差发电是获取基于塞贝克效应的可穿戴热能的最有效方法 。 热电发电机（TEG）两端温度不同时 ， 会产生电压差 ， 从而将冷热源之间的温差转化为电能 。 TEG串联和并联布置在柔性电路板上 ， 形成热电模块 。 在运动紧身衣的正面设置热电模块 ， 制作热电服 ， 如图1（b）-1所示 。 只有当TEG与人体皮肤紧密接触时 ， 能量才能被有效地收集和转化 。 因此 ， 紧身衣的设计可以避免接触不良造成的发电效率损失 ， 合理、高效地利用潜在热能 。
为了充分利用热能 ， 对普通水壶进行了改进 ， 使之成为可穿戴的电热水壶 ， 如图1（b）-2所示 。 TEG放置在壶基上 ， 底通过螺钉与壶体连接 。 所以TEG与壶的底部和主体紧密接触 。 壶体底部与TEG冷端接触 。 带有齿形散热器的壶身可以增加与水的接触面积 ， 获得更好的水冷效果 。 热源是取暖水的火 ， 冷源是水壶里的冷水 。 在水开的过程中 ， 水壶可以把温差转换成电能 。
（3） 机械能 。 相当多的机械能可以从正常的人类活动中获得 ， 比如人体关节的旋转和重力的负荷 。 机械能有效地转化为电能可以提高人类对能量的利用率 ， 这种被动的机械能获取方式并不影响人类的正常活动 。 根据电磁发电原理 ， 设计了惯性驱动和压力驱动的足部机械能量采集装置 ， 如图1（c）所示 。 机械能量收集装置安装在特色鞋垫中 ， 并放置在鞋跟上 。 它不仅能实现能量转换 ， 而且对运动损伤起到缓冲保护作用 。 惯性驱动装置利用人体行走时脚的惯性驱动惯性运动器 ， 从而切断磁感应线 ， 产生感应电流发电 。 线圈和铁芯都可用作移动器 。 该装置以小型直流电动机为发电主体 ， 利用步进压力驱动传动轴 ， 使电动机发电 。 这些机械能量收集装置将人类足部运动的机械能转化为电能 。
无处不在的能量控制
可穿戴的无所不在的能量采集装置布置在人体周围 ， 工作环境非常特殊 。 运动过程和温度变化是动态的、复杂的 。 因此 ， 无处不在的能量所产生的电能与外界环境和人体状态密切相关 ， 在外界因素的影响下可能会有较大的波动 。 为了维持可穿戴设备的自功率需求 ， 需要对无处不在的能量进行综合控制 。
对于太阳能的收集 ， 当多个柔性太阳能电池动态使用时 ， 会出现多个峰值和多个电压带 ， 并且最大功率点会根据温度和辐照条件移动 。 对于热能收集 ， 半导体热电发电机的输出功率随输出电压的变化也呈抛物线形状 。 为了提高能量转换效率 ， 需要跟踪最大功率点 ， 使输出电压工作在最大功率点的相应位置 。 同时 ， 可穿戴式泛在能量采集系统的能量有限 ， 无法支持大功率的控制算法 。 因此 ， 有必要设计低功耗的控制装置和算法 ， 以保证系统的可靠性 。
基于以上要求 ， 太阳能集热系统采用电压带控制算法使太阳能电池工作在最大功率点 。 热能收集系统采用改进的扰动观测算法以获得最大输出功率 。 这些最大功率点跟踪（MPPT）算法使可穿戴太阳能和热能收集系统能够在任何光强度和温度条件下提供稳定的最大功率输出 。 因此 ， 以最小的算法功耗和最大的功率输出来延长供电时间 。
无处不在的能量储存
目前 ， 锂电池等传统电池主要用于储能 。 然而 ， 传统电池存在重量大、体积大、能量供应寿命有限、定期更换、材料浪费、环境污染等问题 。 超级电容器作为一种储能装置 ， 为可穿戴的普适能源提供了新的途径存储 。 这是介于普通电容器和蓄电池之间的装置 ， 具有容量大、功率密度高、低功耗储能效果好等特点 。
考虑到对穿戴舒适性的要求 ， 需要柔性储能元件来实现储能 。 柔性固态超级电容器与普通超级电容器性能相当 ， 目前正在实验室研究中 。 它的形状与布相似 。 它非常灵活 ， 适用于可穿戴系统 。 所获得的普适能量可以稳定、高效地储存在柔性固态超级电容器中 。 柔性超级电容器设置在热电服上 ， 对小功率发电设备具有良好的储能效果 ， 与衣物结合良好 。
结论
该研究提出一个可穿戴的泛在能源系统 ， 它是一个可穿戴设备的分布式非主动自供电方案 。 针对太阳能、热能和机械能这三种最有前途的无处不在的能源 ， 讨论了它们的收集设备、控制方法和储存方法 。 研究了动态条件下超低功耗转换控制和普适能量柔性存储等关键技术 ， 提高了普适能量的转换效率和穿戴舒适性 ， 为穿戴设备的能量供应提供了新思路 。 未来 ， 各种无处不在的能源之间的联系将进一步加强 。 进一步研究动态条件下泛在能量的综合控制与转换 ， 实现多种泛在能量的集成 。 希望通过综合能源调度 ， 实现互补性连续能源供应 。 这样就可以更好地解决单一能源不能一直提供能源的问题 。
太阳能|太阳能、热能、机械能，无处不在的能量收集和转化
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