为LED灯供电？收集Wi-Fi信号，或是利用人体体温就行了

广东LED · 2021-05-21

只有你想不到的，没有做不到的。为了能够给LED灯供电，科学家们真是各出奇招，有通过收集Wi-Fi信号来为LED供电的，也有发明“体温发电机”的……

能够为LED供电的新型芯片

多年来，科学家们一直在努力寻找高效收集环境中的无线电波，以便为小型设备供电的新方法。不过迄今为止，这些信号的来源，始终没能向无线网络（Wi-Fi）那样普及。近日，来自新加坡国立大学（NUS）的一支研究团队，就介绍了他们新开发的一款能够为 LED 和其它小型电子设备 / 传感器供电的新型芯片。

研究领队 Yang Hyunsoo 教授（左）与论文一作 Raghav Sharma 博士

多年来，收集环境中的无线电能量，然后转化输出有意义的功率，一直是一项艰巨的挑战。

好消息是，来自新加坡国立大学（NUS）和日本东北大学的科学家们，已经开发出了所谓的“自扭矩振荡器”（STO）。

研究配图 - 1：同步直流偏置的自旋转矩振荡器

作为一类相对新颖的微型设备，其具有产生微波的能力，但此前的输出功率一直相当低。基于此，研究团队想出了将多个 STO 集成在一个芯片上、以增加输出功率的新方案。

不过为了实现这一目标，研究团队一直在努力设计并测试最佳布局，以解决间距和低频响应等方面的问题。最终交付演示的方案，就包含了八个串联起来的 STO 。

研究配图 - 2：四路 STO 的输出频率与功率

该阵列能够吸收由 Wi-Fi 信号产生的 2.4GHz 无线电波，并将之转换为直流电压信号。在传递到电容器上之后，就可用于电量 1.6V 的 LED 。

给电容器充电 5 秒钟后，即便切断了外部电源，LED 也可保持点亮一分钟。

研究配图 - 3：锁定在 2.4GHz 频率下的注入同步

研究作者 Yang Hyunsoo 教授称：“我们生活在一个被 Wi-Fi 信号所包围的世界，但当我们不使用它们来访问互联网时，它们就处于非活跃的浪费能量的状态”。

新研究成果是顺应转变迈出的第一步，届时随手可用的 2.4GHz 无线电波将成为绿色能量来源，以减少我们经常使用的电子设备的电池需求。

研究配图 - 4：特定时域的测量与相位噪声分析

通过这种方式，一部分物联网设备可使用无线电信号来供电。随着智能家居和智能城市应用的普及，这项研究工作或在通信、计算和神经形态等系统中得到高效的应用。

研究配图 -5：四路同步 / 非同步振荡器的电压整流

目前研究团队正在努力增加增加阵列中的 STO 数量以提升能量的收集能力，并且探讨了如何将之用于为其它电子设备和传感器供电。

研究配图 - 6：演示能量收集的无线射频功率

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。原标题为《Electrically connected spin-torque oscillators array for 2.4?GHz WiFi band transmission and energy harvesting》。

可实时为LED灯充电的体温发电机

将体温发电与可穿戴设备相结合，直至今天仍是一项创新之举。

最近，一组哈工大研究人员就开发出了一种小型可穿戴设备，可将人体皮肤发出的热量转化为电能。

把设备戴在手腕上，可以实现为 LED 灯供电。

2021 年 4 月 29 日，相关研究成果发表于《细胞报告物理科学》（Cell Reports Physical Science）杂志，题为 A wearable real-time power supply with a Mg3Bi2-based thermoelectric module（一种基于 Mg3Bi2 热电模块的可穿戴实时电源）。

柔性「体温发电机」

先来了解一下何谓「热电技术」。在两种金属构成的回路中，如果金属结点处温度不同，处在较温暖区域的电子受热移动至较冷的区域，该回路就会产生一个电势差（电压），在连接它们的导线上产生电流。

简而言之，这项技术就是利用热电装置的温度差产生电压。由于电流较弱，热电技术通常只能为能量需求不大的设备供电，而可穿戴设备基本部件的功耗一般在 100nW（纳瓦）到 10mW（毫瓦）之间（如下图所示），基于此，将这项技术应用于可穿戴设备和人体植入装置将是绝佳的选择。

在研究人员看来，「热电发电机」（Thermoelectric generators，以下简称 TEG）为可穿戴电子设备供能在未来将是一项很有前景的应用。

TEG 将是传统电池的一个很好的替代，原因在于其独特的特性，比如无工作流体、无运动部件、操作过程安静、可靠、便携等等。正如研究人员所言：TEG 可以收集体温这样的分散式低品质热量，使之转化为电能。

但值得关注的是，传统的刚性 TEG 难以兼容可穿戴产品，因此研究人员的目标便是设计一种柔性 TEG（flexible TEG，即 FTEG）。

材料方面，研究人员设计的 FTEG 包括 p 型碲化锑（Sb2Te3）和 n 型铋化镁（Mg3Bi2），以及多孔聚氨酯（PU）基体和柔性印刷电路板（FPCB）电极。

其中，n 型 Mg3Bi2 基材料被学术界认为是近室温应用的优质材料。另外据《中国科学报》报道：市面上的 TEG 在很大程度上依赖于稀有金属碲，而新设计用镁基材料部分取代了碲基材料，这可以降低大规模生产的成本。

下图展示的是材料的电阻率（ρ）、塞贝克系数（S，即半导体材料的温差电动热）、功率因数（PF ）、热导率（κ）和 ZT（品质因数）值。

具体制造过程则是：1、将 FPCB 电极粘贴在陶瓷基板上；2、用激光标记去除多余的 PI 膜（聚酰亚胺薄膜）；3、把 n 型和 p 型热电支腿交替布置在基板上；4、将热电模块剥离基板，用 PU 填充。

最终数据表明，这款 FTEG 设备具有较低的热旁路和高效的热接触面，在环境温度为 16 摄氏度（气流速度 1.1 m/s）时将设备放在手臂上，峰值功率密度约为 20.6 μW/cm2；在温差 -223.15 摄氏度时，峰值功率密度为 13.8 mW/cm2。

不仅如此，该设备在 13.4 mm 的弯曲半径下承受 10000 次弯曲循环后无显着变化（小于 1.4%）。

研究人员将尺寸为 28.8 × 115.2 × 2.5 mm3 的 FTEG 设备放置在手臂上，成功点亮了 LED（发光二极管）灯——这表明该 FTEG 设备具有为可穿戴设备提供实时电源的潜力。

编辑整理：GDLED

资料来源：cnBeta.COM、学术头条等

题图来源：网络来源

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