Điện Tử Thu Hoạch Năng Lượng: Từ CES 2025 đến Tương Lai Không Cần Pin

Ngành công nghiệp điện tử đang ở bên bờ của một cuộc cách mạng yên lặng. Trong nhiều thập kỷ, các thiết bị của chúng ta - từ cảm biến thông minh và thiết bị đeo đến các thiết bị giám sát từ xa - đã phụ thuộc vào pin dùng một lần, loại pin tốn kém để thay thế và khó tái chế. Nhưng nếu những thiết bị đó có thể tự cung cấp năng lượng thì sao?

Nhờ vào những đột phá trong việc thu hoạch năng lượng, các thiết bị tự cung cấp năng lượng đang trở thành hiện thực. Từ các máy phát năng lượng động học đến các hệ thống lai quang điện, các thành phần thu hoạch năng lượng mới đang thu giữ năng lượng môi trường xung quanh và biến đổi nó thành điện năng với hiệu suất ngày càng cao. Kết quả? Các hệ thống điện tử có thể hoạt động một cách tự chủ trong nhiều năm, hoặc hoàn toàn không cần pin hoặc bằng cách kéo dài tuổi thọ pin một cách đáng kể.

Cuộc Cách Mạng Năng Lượng Tự Duy Trì

Tại Triển lãm Điện tử Tiêu dùng 2025 ở Las Vegas, hàng chục công ty đã trưng bày các ứng dụng thực tế của việc thu hoạch năng lượng, báo hiệu sự chuyển hướng về phía điện tử bền vững, không cần bảo dưỡng. Dưới đây là cái nhìn về một số đổi mới nổi bật từ CES đang làm cho hệ thống không cần pin không chỉ có thể, mà còn thực tế.

Thu Hoạch Năng Lượng Điện Từ và Động Năng

Làm thế nào để chuyển động tạo ra năng lượng có ý nghĩa? WePower Technologies đã trả lời câu hỏi này tại CES 2025 với dòng sản phẩm Máy Phát Điện Thu Hoạch Năng Lượng Gemns^™. Công nghệ cảm ứng điện từ của công ty sử dụng nam châm dao động vĩnh cửu để tạo ra điện từ chuyển động, cung cấp năng lượng ra 30 lần lớn hơn (trong phạm vi millijoule) so với các công nghệ thu hoạch năng lượng động học hiện có (thường ở phạm vi microjoule).

Hiệu quả vượt trội này bắt nguồn từ cấu hình nam châm dao động độc đáo của WePower, tối đa hóa mật độ từ trường trong khi giảm thiểu sức cản cơ học. Không giống như các thiết bị thu hoạch động năng thông thường dựa vào chuyển động tuyến tính, thiết kế của họ bao gồm các sắp xếp cực nam châm chuyên biệt tạo ra điện áp cảm ứng cao hơn ngay cả từ những chuyển động nhẹ nhàng, hiệu quả chuyển đổi tỷ lệ lớn hơn của năng lượng cơ học thành đầu ra điện. Tại triển lãm, WePower đã trình diễn các ứng dụng thực tế của công nghệ này trong các thiết bị phát hiện rò rỉ nước và bộ điều khiển công nghiệp.

Với cách tiếp cận tương tự, các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát triển một cảm biến không cần pin thu năng lượng từ các trường từ xung quanh dây điện, cho phép theo dõi nhiệt độ thời gian thực mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài.

Mô-đun Pin Dạng Đồng Tiền Tự Chứa Nguồn Điện của SMK Electronics đã giành được Giải thưởng Đổi mới CES 2025 cho việc tạo ra mô-đun thu hoạch năng lượng đầu tiên trong ngành công nghiệp thay thế cho pin đồng tiền CR2032 tiêu chuẩn. Bước đột phá này có thể giúp loại bỏ hàng tỷ pin đồng tiền được sử dụng trong cảm biến, thẻ và thiết bị theo dõi.

Tối ưu hóa và Quản lý Năng lượng Dựa trên AI

AI và học máy tích hợp đang cải thiện các hệ thống thu hoạch năng lượng bằng cách tối ưu hóa quản lý năng lượng. Các thuật toán được hỗ trợ bởi AI điều chỉnh chiến lược thu hoạch theo thời gian thực, tối đa hóa hiệu quả từ các nguồn như năng lượng mặt trời, nhiệt hoặc rung động. AI ngày càng trở thành bộ não đằng sau sự tự chủ năng lượng, giúp các thiết bị đưa ra quyết định về năng lượng thông minh và tức thì. 

Tại CES 2025, e-peas đã trình diễn mạch tích hợp thu hoạch năng lượng từ hai nguồn AEM13920 tối ưu hóa năng lượng từ các nguồn dựa trên ánh sáng và chuyển động. Các buổi trình diễn về phát hiện chuyển động, cảm biến cửa và giám sát carbon dioxide đã xác nhận rằng các ứng dụng không cần pin thực tế hiện đã khả thi. CEO Geoffroy Gosset nhấn mạnh rằng "tự chủ năng lượng cho các ngôi nhà và tòa nhà thông minh đang trở nên ngày càng quan trọng" khi các nhà phát triển tìm cách loại bỏ tác động môi trường và chi phí thay pin.

Máy Phát Điện Tĩnh Điện và Đơn Vị Quản lý Năng lượng

Các nhà nghiên cứu đã phát triển Đơn vị Quản lý Năng lượng Hiệu suất Cao (EMUs) giải quyết vấn đề không khớp trở kháng trong các máy phát điện tĩnh điện, tăng hiệu suất lên đến 50%. Các thiết kế EMU mới này bao gồm ống chuyển mạch tia lửa và bộ chuyển đổi buck, đạt được dòng điện một chiều cao tới 79.2 mW m⁻² rps⁻¹ trong các máy phát electret quay. Mức đầu ra như vậy khiến những đơn vị này trở thành ứng cử viên mạnh mẽ cho việc cung cấp năng lượng cho các cảm biến trong môi trường khắc nghiệt nơi độ tin cậy là thiết yếu và việc lắp đặt dây không khả thi. 

Hệ thống Photovoltaic và Hỗn hợp

Nhờ tiến bộ trong công nghệ mặt trời như các tế bào mềm dẻo và trong suốt, việc thu hoạch năng lượng ánh sáng vẫn chiếm ưu thế và ngày càng được tích hợp vào các hệ thống hỗn hợp. Cảm biến không cần pin của EnOcean, chẳng hạn, tận dụng ánh sáng mặt trời hoặc chuyển động để cung cấp năng lượng cho các công tắc không dây và hệ thống giám sát môi trường. 

Các hệ thống hỗn hợp kết hợp nhiều nguồn năng lượng đang trở nên phổ biến, được minh họa bởi thiết bị lấy cảm hứng từ lá của Đại học Northeastern thu năng lượng từ giọt mưa và gió. Bằng cách kết hợp các nguồn như mặt trời, gió và chuyển động, các bộ thu hỗn hợp giảm thiểu rủi ro về khoảng trống năng lượng, điều này là thiết yếu cho các thiết bị giám sát sức khỏe, cảm biến cơ sở hạ tầng và các thiết bị từ xa khác.

Xu Hướng Thị Trường và Động Lực Tăng Trưởng

Ước tính của ngành cho thấy thị trường hệ thống thu năng lượng toàn cầu sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng hàng năm hợp nhất (CAGR) từ 9 đến 11%, dự kiến sẽ vượt qua 2.5 tỷ đô la vào sớm nhất là năm 2030. Các yếu tố chính thúc đẩy sự tăng trưởng này bao gồm:

• Sự Phát Triển của IoT: Mạng cảm biến không dây trong các thành phố thông minh, chăm sóc sức khỏe và tự động hóa công nghiệp đều yêu cầu nguồn năng lượng bền vững để giảm lượng chất thải pin.
• Ưu Đãi của Chính Phủ: Các khung chính sách thúc đẩy việc áp dụng năng lượng xanh, đặc biệt là ở Bắc Mỹ, đang thúc đẩy sự mở rộng của thị trường.
• Sự Thu Nhỏ Công Nghệ: Tiến bộ trong điện tử công suất thấp và hệ thống lưu trữ năng lượng thúc đẩy việc tạo ra các thiết bị ngày càng nhỏ gọn, hiệu quả hơn.

Ứng Dụng và Triển Khai

Cơ Sở Hạ Tầng Thông Minh và IoT

Cơ sở hạ tầng thông minh đã tận dụng năng lượng môi trường để cung cấp điện cho hệ thống chiếu sáng, HVAC và giao thông. Các thành phần chuyển động và năng lượng mặt trời điều khiển chiếu sáng và HVAC mà không cần pin, trong khi các thiết bị được kích hoạt bởi LoRaWAN^® với IC tiên tiến duy trì mạng lưới liên lạc tầm xa với cơ sở hạ tầng tối thiểu. Những ứng dụng này cho thấy năng lượng môi trường có thể thúc đẩy giám sát và kiểm soát tự động trên khắp cảnh quan đô thị.

Công Nghệ Y Tế và Đeo Được

Thu hoạch năng lượng cung cấp khả năng hoạt động liên tục mà không cần sạc lại cho các thiết bị y tế theo dõi các chỉ số sinh học quan trọng. Ví dụ, các thiết bị đeo theo dõi đường huyết và nhịp tim hiện nay sử dụng nhiệt độ cơ thể để tự cung cấp năng lượng, giúp bệnh nhân thoát khỏi việc phải sạc lại thường xuyên hoặc thay pin.

Tự động hóa Công nghiệp

Môi trường sản xuất, nơi các cảm biến rung động hoặc nhiệt có thể phát hiện các bất thường của thiết bị mà không cần kết nối dây, mang lại cơ hội độc đáo cho việc thu hoạch năng lượng. Các máy phát điện tĩnh điện được cải thiện bằng EMU đặc biệt hiệu quả trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, cung cấp năng lượng cho mạng lưới cảm biến phân tán để bảo trì dự đoán.

Thách thức trong Việc Áp dụng và Hướng Phát triển Tương lai

Dù đã có tiến bộ đáng kể trong vài năm qua, công nghệ thu hoạch năng lượng hiện nay vẫn đối mặt với một số thách thức trong việc triển khai:

• Độ Phức tạp Ban đầu trong Tích hợp: Các thành phần chuyên biệt và yêu cầu tùy chỉnh làm tăng chi phí triển khai.
• Sự Không ổn định của Năng lượng: Các nguồn năng lượng tự nhiên như mặt trời hoặc rung động có sự biến động tự nhiên, đòi hỏi hệ thống lưu trữ nâng cao và quản lý năng lượng thông minh.
• Hạn chế về Vật liệu: Mặc dù các vật liệu như tế bào mặt trời linh hoạt và polyme piezoelectric tiếp tục phát triển, sản xuất hàng loạt các hệ thống hỗn hợp vẫn còn ở giai đoạn đầu.

Trong khoảng thời gian từ 2025 đến 2030, một số phát triển then chốt sẽ hình thành sự tiến hóa của công nghệ này qua các lĩnh vực chính sau:

• Điều phối Năng lượng Dựa trên AI: Sự tích hợp sâu của AI sẽ cho phép tối ưu hóa năng lượng động, phân tích dự đoán và hệ thống tự phục hồi tối đa hóa hiệu quả.
• Vật liệu Nano tiên tiến: Những đột phá trong các nanogenerator triboelectric và lớp phủ tự phục hồi sẽ cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi.
• Hệ thống Kết hợp Đa Nguồn: Các thiết bị kết hợp năng lượng mặt trời, nhiệt và rung động sẽ trở thành tiêu chuẩn, giảm bớt hạn chế của các phương pháp sử dụng một nguồn duy nhất.
• Mở rộng Ngoài IoT: Việc thu hoạch năng lượng sẽ ngày càng cung cấp năng lượng cho các hệ thống lớn hơn, bao gồm biển hiệu, điện tử tiêu dùng và các yếu tố của cơ sở hạ tầng giao thông.

Lập Kế Hoạch Hôm Nay cho Việc Thu Hoạch Ngày Mai

Sự chuyển đổi từ pin dùng một lần sang hệ thống năng lượng tự duy trì đại diện cho một trong những thay đổi thiết kế điện tử có ý nghĩa nhất của thập kỷ này. Như đã được chứng minh tại CES 2025, các ứng dụng thực tế hiện nay cung cấp đủ năng lượng cho các ứng dụng thực tế. Trong năm năm tới, sự tiến bộ liên tục trong AI, thu hoạch kết hợp và thiết kế linh kiện sẽ đẩy thị trường hướng tới các hệ thống hoàn toàn tự chủ, có trách nhiệm với môi trường.

Kỹ sư điện tử nên lập kế hoạch cho tương lai này bằng cách chuẩn bị xem xét lại các giả định cơ bản về kiến trúc năng lượng và phát triển chuyên môn trong mạch cực kỳ tiết kiệm năng lượng, tích hợp lưu trữ năng lượng và kỹ thuật thu hoạch từ nhiều nguồn. Các kỹ sư nắm vững sự tương tác giữa khả năng cung cấp năng lượng môi trường và yêu cầu năng lượng động sẽ được săn đón nhiều khi tự chủ năng lượng trở thành kỳ vọng cơ bản thay vì một tính năng chuyên biệt trong các hệ thống điện tử.