InfoMat:万物互联时代的供能系统和单元的发展

随着互联网技术、云计算大数据技术的逐渐成熟,互联网上的任何物和人逐渐紧密相连,万物互联时代已经到来并且正在渗透到世界的各个角落,如医疗保健,数字设备,家庭自动化,能源节约,安全保障,信息交换和通信以及环境监测。万物互联源于信息技术,环境技术和生物技术的融合,是未来市场发展的重要驱动力,数以百万计的互联网设备将可以获得更好的感知能力和更强的处理能力。万物互联旨在通过在数百万互联网连接设备之间双向收集和交换信息来实现一种超连接的社会,因而开发可以有效驱动物联网的供能设备变得越发重要。然而,目前现有的供能设备系统和个体在能量存储和管理方面都正面临着一场革命,以适应数量庞大(数十亿)、广泛分布、形状各异的物联网设备,这需要更安全、可靠、更具弹性和可持续性的能源系统。因此,考虑到这些设备的灵活性,各自独立性和大规模分布,为它们提供能量供应对传统储能系统提出了新的挑战。

为了应对上述挑战,天津大学材料学院在Infomat上发表了题为“Advances in the Development of Power Supplies for the Internet of Everything”的综述文章。该综述从供能系统和供能个体两个层面讲述了万物互联下的供能设备的发展进展和要求。对于供能系统来说,该文章主要从物联网的无线连接、能量收集和存储一体化设计以及供能系统管理进行了介绍。为了满足数百万物联网设备之间实时/双向通信的需求,且考虑到数百万功能设备更换将导致的高人力、财力和时间成本,无需电缆且按需供应的无线传输电力是一个必不可缺的手段,特别是对于可植入式器件。由于无线通信的高耗电特性和具体的应用要求(如位置、寿命限制等),设计和制造合适的无线技术对于物联网的供能系统至关重要,如微型,高功率甚至可穿戴的无线供能系统的开发。此外,由于大量分布的供能系统(如电池)的监控、充电、维护、更换和回收相关的高成本和实际困难(如处于危险,有毒或难以触及的区域),解决这些挑战的根本方法是开发能量转化与储存一体化系统,其可以不断地将无处不在的能量(如风、波、振动、身体运动等机械能,热能,化学能和太阳能)转化为电能以持续地提供电力,并确保整个系统可持续和免维护的运行。现已开发出许多新的基于太阳能的概念设备(如太阳能电池和太阳能电容器)和纳米发电机。另外,对于广泛分布和功能复杂的供能系统的管理是确保各个器件设备之间既相互独立又相互合作的重大挑战。对于供能系统来说,为了满足物联网中各种应用的需求,包括小型化设备(如传感器、便携式数字电子设备和可穿戴电子设备)和用于工业应用的大型设备(如电动车和电网储能),供能单元的能量密度和寿命是非常值得关注的。此外,自供电技术在物联网的可持续应用中表现出巨大的希望。因此,开发具有高能量输出性能,长寿命和自供电能力的高效供能系统对于确保物联网的可持续和免维护运营至关重要。最后该文章针对物联网系统下的供能系统和单元的评估给出了评价标准和发展方向。