Электроника с использованием энергии окружающей среды: От CES 2025 к будущему без батарей

Электронная промышленность находится на пороге тихой революции. На протяжении десятилетий наши устройства – от умных датчиков и носимых устройств до удаленных мониторов – зависели от одноразовых батарей, которые дорого стоят и их сложно перерабатывать. Но что, если бы эти устройства могли питаться сами?

Благодаря прорывам в области сбора энергии, самопитающиеся устройства становятся реальностью. От кинетических генераторов до гибридов с фотоэлектрическими элементами, новые компоненты для сбора энергии захватывают окружающую энергию и преобразуют ее в электричество с растущей эффективностью. В результате? Электронные системы, которые могут работать автономно на протяжении многих лет, либо полностью без батарей, либо значительно увеличивая срок службы батареи.

Революция самообеспечивающейся энергией

На выставке потребительской электроники в Лас-Вегасе в 2025 году десятки компаний продемонстрировали практическое применение сбора энергии, сигнализируя о переходе к устойчивой электронике, не требующей обслуживания. Вот взгляд на некоторые выдающиеся инновации с CES, которые делают системы без использования батарей не только возможными, но и практичными.

Электромагнитная индукция и сбор кинетической энергии

Как движение может генерировать значимую энергию? WePower Technologies ответила на этот вопрос на CES 2025 с линейкой продуктов Gemns^™ Energy Harvesting Generator. Технология электромагнитной индукции компании использует постоянные, колеблющиеся магниты для генерации электричества от движения, обеспечивая выходную энергию в 30 раз больше (в диапазоне миллиджоулей), чем существующие технологии сбора кинетической энергии (обычно в диапазоне микроджоулей).

Такая высокая эффективность проистекает из уникальной конфигурации колеблющихся магнитов WePower, которая максимизирует плотность магнитного потока, минимизируя при этом механическое сопротивление. В отличие от традиционных кинетических устройств сбора энергии, которые зависят от линейного движения, их дизайн включает специализированные расположения магнитных полюсов, которые генерируют более высокие индуцированные напряжения даже от незначительных движений, эффективно преобразуя больший процент механической энергии в электрический выход. На выставке WePower продемонстрировала практическое применение этой технологии в детекторах утечки воды и промышленных контроллерах.

Схожим образом, исследователи из MIT разработали датчик без батареи, который собирает энергию из магнитных полей вокруг электрических проводов, позволяя проводить мониторинг температуры в реальном времени без внешних источников питания.

Модуль монетной батареи с автономным источником питания (SCPS) от SMK Electronics получил награду за инновации на CES 2025 за создание первого в отрасли модуля сбора энергии, заменяющего стандартные батареи типа CR2032. Это прорыв может помочь отказаться от миллиардов монетных батарей, используемых в датчиках, метках и трекерах.

Оптимизация и управление энергией на основе искусственного интеллекта

Интегрированный ИИ и машинное обучение улучшают системы сбора энергии, оптимизируя управление питанием. Алгоритмы на основе ИИ корректируют стратегии сбора энергии в реальном времени, максимизируя эффективность от источников, таких как солнечная, тепловая или вибрационная энергия. ИИ все чаще становится мозгом за автономностью энергии, помогая устройствам принимать более умные решения по питанию на лету. 

На CES 2025 компания e-peas продемонстрировала свои интегральные схемы сбора энергии из двух источников AEM13920, оптимизирующие питание от источников света и движения. Их демонстрации обнаружения движений, датчиков дверей и мониторинга углекислого газа подтвердили, что практические приложения без использования батарей теперь стали возможны. Генеральный директор Geoffroy Gosset подчеркнул, что "энергетическая автономность для умных домов и зданий становится все более критичной", поскольку разработчики стремятся устранить воздействие на окружающую среду и затраты на замену батарей.

Электростатические генераторы и блоки управления энергией

Исследователи разработали высокопроизводительные блоки управления энергией (БУЭ), которые решают проблемы несоответствия импедансов в электростатических генераторах, повышая эффективность до 50%. Эти новые конструкции БУЭ включают трубки с искровым переключением и понижающие преобразователи, достигая выходных токов постоянного тока до 79,2 мВт·м⁻²·об⁻¹ в роторных электретных генераторах. Такой уровень выходной мощности делает эти устройства серьезными кандидатами для питания датчиков в экстремальных условиях, где важна надежность, а прокладка проводов невозможна. 

Фотовольтаические и гибридные системы

Благодаря прогрессу в солнечной технологии, такой как прозрачные и гибкие элементы, сбор энергии света остается доминирующим и все чаще интегрируется в гибридные системы. Датчики без батарей от EnOcean, например, используют солнечный свет или движение для питания беспроводных переключателей и систем мониторинга окружающей среды. 

Такие гибридные системы, которые сочетают в себе несколько источников энергии, набирают популярность, что демонстрируется устройством, вдохновленным листом, от Северо-Восточного Университета, собирающим энергию из капель дождя и ветра. Сочетая источники, такие как солнце, ветер и движение, гибридные устройства сбора энергии снижают риск прерываний питания, что жизненно важно для мониторов здоровья, датчиков инфраструктуры и других удаленных устройств.

Тенденции рынка и факторы роста

По оценкам отрасли, глобальный рынок систем сбора энергии будет расти с совокупным годовым темпом роста (CAGR) 9-11%, и ожидается, что к 2030 году его объем превысит 2,5 миллиарда долларов. Ключевые факторы, стимулирующие этот рост, включают:

• Распространение IoT: Беспроводные сенсорные сети в умных городах, здравоохранении и промышленной автоматизации требуют устойчивых источников питания для сокращения отходов батарей.
• Государственные стимулы: Политические рамки, способствующие принятию зеленой энергии, особенно в Северной Америке, стимулируют расширение рынка.
• Технологическое миниатюризация: Прогресс в области электроники с низким потреблением энергии и систем хранения энергии способствует созданию все более компактных и эффективных устройств.

Применение и внедрение

Умная инфраструктура и IoT

Умная инфраструктура уже использует окружающую энергию для питания систем освещения, HVAC и дорожного движения. Кинетические и солнечные компоненты управляют освещением и HVAC без батарей, в то время как устройства с LoRaWAN^® и продвинутыми интегральными схемами поддерживают сети дальнего радиуса действия с минимальной инфраструктурой. Эти применения показывают, как энергия окружающей среды может способствовать автономному мониторингу и управлению в городских ландшафтах.

Медицинская техника и носимые устройства

Энергосбор обеспечивает непрерывную работу без необходимости перезарядки для медицинских устройств, контролирующих жизненно важные показатели. Например, носимые глюкометры и трекеры сердечного ритма теперь используют тепло тела для своего питания, освобождая пациентов от необходимости частой перезарядки или замены батарей.

Промышленная автоматизация

Производственные среды, где датчики вибрации или температуры могут обнаруживать аномалии оборудования без проводных соединений, представляют уникальные возможности для сбора энергии. Электростатические генераторы с улучшенным ЭМУ особенно эффективны в суровых промышленных условиях, питая распределенные сети датчиков для предиктивного обслуживания.

Проблемы внедрения и будущие направления

Несмотря на значительный прогресс в последние несколько лет, технологии сбора энергии сегодня сталкиваются с несколькими проблемами при внедрении:

• Сложность первоначальной интеграции: Специализированные компоненты и требования к настройке увеличивают стоимость внедрения.
• Переменность энергии: Источники окружающей энергии, такие как солнце или вибрация, естественно колеблются, что требует продвинутых систем хранения и интеллектуального управления энергопотреблением.
• Ограничения материалов: Хотя материалы, такие как гибкие солнечные элементы и пьезоэлектрические полимеры, продолжают развиваться, массовое производство гибридных систем пока находится на начальном этапе.

В период с 2025 по 2030 год несколько ключевых разработок определит эволюцию технологии в этих ключевых областях:

• Управление энергией на основе ИИ: Глубокая интеграция ИИ позволит динамическую оптимизацию энергопотребления, предиктивную аналитику и самовосстанавливающиеся системы, максимизирующие эффективность.
• Передовые наноматериалы: Прорывы в области трибоэлектрических наногенераторов и самовосстанавливающихся покрытий значительно повысят эффективность преобразования.
• Гибридные системы с несколькими источниками энергии: Устройства, сочетающие солнечную, тепловую и вибрационную энергию, станут стандартом, снижая ограничения подходов с одним источником.
• Расширение за пределы IoT: Сбор энергии будет всё чаще использоваться для питания более крупных систем, включая рекламные вывески, потребительскую электронику и элементы транспортной инфраструктуры.

Планирование сегодня для сбора энергии завтра

Переход от одноразовых батарей к самодостаточным энергетическим системам представляет собой одно из самых значимых изменений в электронном дизайне этого десятилетия. Как было показано на CES 2025, практическое применение теперь обеспечивает достаточно энергии для реальных приложений. В течение следующих пяти лет продолжающиеся достижения в области искусственного интеллекта, гибридного сбора и дизайна компонентов будут продвигать рынок к полностью автономным, экологически ответственным системам.

Электронные инженеры должны планировать это будущее, готовясь пересмотреть основные предположения архитектуры питания и развивая экспертизу в области ультранизкопотребляющих схем, интеграции хранения энергии и техник сбора энергии из нескольких источников. Инженеры, которые освоят взаимодействие между доступностью окружающей энергии и динамическими требованиями к мощности, будут востребованы, поскольку энергетическая автономия станет базовым ожиданием, а не специализированной функцией в электронных системах.