迎光而行---解读Garmin Power Glass技术

2020-10-22 18:30:30 14点赞 20收藏 13评论

创作立场声明:长期关注系列产品之后的纯技术解读,不代表官方立场以及利益



导言:

爱上Garmin,源自2014年那趟重走汶川路的采访,山中迷路绝望之余,幸得Fenix 2腕表等高线地图得以重归人类文明的惊险徒步。随后从Fenix3到如今的Fenix 6X Pro Solor,从运动摄像机到户外手持机、从自行车码表再到海钓所用的鱼探设备, Garmin的产品在我生活之中越来越多,可以说只要印着Garmin LOGO的产品,都能平添安全与信任。

每一块Garmin你都值得拥有
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每一块Garmin你都值得拥有


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每当朋友调侃我对Garmin的产品有着天然的信任时,我通常不予置评。作为一名技术记者,我对这家手上握有无数专利的企业,一言不合就发布的前沿技术,似乎更存在天生的好奇。趁着今年Garmin大批发布由太阳能作为补充能源的多款系列手表,决定与大家聊一聊这背后颠覆停滞数十年太阳能板技术的Garmin Power Glass技术的神奇之处。

主题很明显主题很明显

太阳能特点也很明显太阳能特点也很明显


太阳能与太阳能技术发展

太阳是光明和温暖的源泉,它给予地球生机、赋予人类生命以及维持生命的各种能源。广义而言地球上各种能源,如风能、化学能、水能等,均离不开这颗恒星的影响。

阿基米德著名的“燃烧的镜子”阿基米德著名的“燃烧的镜子”

1839年法国物理学家Alexandre Edmond Becquerellar,最早发现太阳光,能为实验中放入金属电极后的导电溶液增加微弱电量,证实了紫外线能在两个电能导体之间令自由电子迁移,遂将这种太阳光转化为电的能力命名为“光伏效应”。

Alexandre Edmond BecquerellarAlexandre Edmond Becquerellar

其后大约40年,美国发明家查尔斯·弗里茨(Charles Fritts)在纽约制造了世界上第一个屋顶太阳能电池阵列。一年后,托马斯·爱迪生(Thomas Edison)开设了世界上第一个商业燃煤电厂。化石能源发电的巨大成功,掩盖了当时Fritts那用硒覆盖的面板所得到的微弱电流。

Charles Fritts(查尔斯.弗瑞兹)使用硒制造太阳能板Charles Fritts(查尔斯.弗瑞兹)使用硒制造太阳能板

直到1905年爱因斯坦(Albert Einstein)撰写论文解释光电效应之后,人们才真正了解到光如何发电。贝克勒尔和爱因斯坦的研究奠定了太阳能技术未来发展的基础。也让爱因斯坦在1921年获得了诺贝尔物理学奖。实用型现代光伏(PV)电池于1954年由贝尔实验室(Bell Labs)成功研发。

贝尔实验室的科学家突破性地将硅应用于太阳能板贝尔实验室的科学家突破性地将硅应用于太阳能板

当年美苏不少卫星都加入了太阳能板当年美苏不少卫星都加入了太阳能板

贝尔实验室大力推广太阳能应用贝尔实验室大力推广太阳能应用

美国前总统卡特在白宫装置了大面积的太阳能板美国前总统卡特在白宫装置了大面积的太阳能板

1973年的石油禁运和美国《紧急石油分配法》引发严重了能源危机。替代能源催生出大批包括手表在内的太阳能商用产品,尽管太阳能电池板的成本不低,但对手表所用面积而言影响甚微。没有机械手表精密复杂的内部结构,无需担心忘记上链导致停表,太阳能石英表精准的走时,轻薄的身段以及低廉的价格让其成为风靡全球的公认最方便的手表之一。第一块太阳能电池手表属于1960年由Roger W Riehl发明的Synchronar 2100 。随后西铁城卡西欧等大批企业将技术推至顶峰,并且延续了数十年。直到智能穿戴设备出现,大能耗传感器以及彩色液晶屏幕,让传统太阳能电池板无法持续提供稳定的电力。所以但凡涉及到智能穿戴产品,鲜有发布太阳能供电型号的。

Synchronar 2100的太阳能板在顶部Synchronar 2100的太阳能板在顶部


Garmin Power Glass是什么?

去年刚拿到Garmin Fenix 6X Pro Solor的时候,我就知道Garmin要搞事情,无奈这首款太阳能供电产品太新,技术资料太少,而我心中疑问又实在太多。直到今年中,Garmin再次发布多款太阳能智能穿戴设备,基于随后多方搜集技术资料,方才为我揭开神秘的Garmin Power Glass技术。如果说Garmin Fenix 6 Pro Solor是Garmin公司对于Power Glass技术的初次试水,那么本能系列等多款智能穿戴设备的发布,则证明了该技术已经通过了最终的论证并足以撼动停滞了数十年的太阳能电池板技术。

Power Glass技术已经应用在多款产品之上Power Glass技术已经应用在多款产品之上

现如今的便携式设备,特别是远离城市电网的户外应用,通常都由电池供电,电池的寿命直接成为影响用户友好性的主因。太阳能电池集成到表面的技术亦存在很长时间,可无奈表面上空间实在有限,产生的电流无法支撑日益增多的用电需求。

心率与血氧等传感器都需要用电心率与血氧等传感器都需要用电

直到工程师发现,原来可以将太阳能电池集成到显示屏本身中去。将太阳能电池嵌于显示屏实际上有多种技术路线,不过都殊途同归。较为常见的是将光伏条集成到显示面中的背光屏幕系统,其使用双凸透镜阵列将来自穿透背光屏幕的光,聚焦至光伏条产能。但这种设计存在有诸多的不适应性,譬如双凸透镜阵列的制造公差非常小,特别是关于透镜和半透明光伏模块之间的剩余厚度以及光伏模块的各个透明区域相对于微透镜的对准。另外,针对制造双凸透镜阵列的材料,其折射率校准工序受工艺限制也增加了成本。最后不同的光学粘合剂对于双凸透镜阵列也会产生不同的折射率。为此该设计固然可用,却并非最高效的光学系统。

支撑Garmin Power Glass的技术专利支撑Garmin Power Glass的技术专利

Garmin的工程师认为,只有通过减少来自光学系统表面的环境光反射,并通过改善光的透射率,才能在提高显示图像质量的同时,通过使用多种低公差的光学树脂解决成本问题。也就是将不透明的反射聚光器集成到光学设备之中,才能成功。也正因为如此,Garmin Power Glass应运而生。Garmin成功地将微型太阳能导电电池集成到了厚度不到半毫米的玻璃面板中,并大胆地置于液晶屏幕上方。这意味设备在结合像素存储(MIP)显示技术之后,其能更有效地捕获光电,且仍可获得清晰透彻的屏幕观感。高清晰度和高转换两不误。

从上往下数第三层就是Power Glass从上往下数第三层就是Power Glass


颠覆传统的Garmin光伏系统

上面说的技术术语简单归纳成一句人话就是:“Garmin成功让覆盖了名为Power Glass 太阳能板的液晶显示屏,强光之下无比清晰,还能高效转换太阳能”。以我目前所用的Garmin Fenix 6X Pro Solor举例。其颠覆传统的光伏系统其实肉眼可见。仔细观察会发现表盘挡板内侧有着一条只有1mm宽的薄带。在明亮的光线下,这个完全不透光的薄带清晰可见,倘若不告诉你,估计大部分人会以为仅仅是一种融入边框的设计元素,可实际上它是这块厚度不到半毫米的Garmin Power Glass边框上一个具有高转换水平的太阳能板,可以接收100%的阳光并转化为电能。另外为了保证表盘中央像素存储(MIP)显示技术液晶屏清晰可见,Garmin工程师将中间部分设计为覆盖在显示屏上方的,转换水平仅有10%的高清晰玻璃。虽然牺牲了转化率来换取高清晰度,但中央面板面积比薄边框条的面板要大得多,没有液晶屏遮挡,全屏大面积同样能提供不小的电能贡献。难能可贵的是还不影响下方液晶屏的高清晰度。

Garmin商标上的薄带就是转换效率100%的太阳能板Garmin商标上的薄带就是转换效率100%的太阳能板

垂直于商标的线条为下方液晶板垂直于商标的线条为下方液晶板

Power Glass不说完全看不出来Power Glass不说完全看不出来

通常情况下,传统太阳能电池板一旦被遮挡直射阳光就会停止充电。为了解决这个问题,Garmin选择使用太阳能转换率五倍于行业标准的先进的超薄晶圆导电材料,重新设计电池板的导电单元排列顺序,发明出全球首个在部分遮挡下仍能继续充电的太阳能板。

正午太阳光照度达到10万Lx
正午太阳光照度达到10万Lx


正午太阳光照度达到10万Lx


充电标志代表当前太阳能强度充电标志代表当前太阳能强度

强光手电照度高于Lux表20万Lx的量程强光手电照度高于Lux表20万Lx的量程

有一个知识点必须提及。众所周知太阳能电池板十分脆弱,别说直接刮擦,就算对表面保护层的刮擦损伤,都会让转换效能下降。选择何种镜面材料保护Garmin Power Glass甚至整个腕表十分重要。蓝宝石镜面耐刮擦的特性,让钟表行业里不少品牌,包括Garmin都将其设为系列中配置较高型号的首选材质,如Garmin Fenix 6 Pro上。可唯独针对Garmin Power Glass技术的型号却另辟蹊径,使用了来自于著名企业康宁的大猩猩玻璃DX。这并不是因为Garmin想取巧,实际上蓝宝石和大猩猩玻璃相比有着许多的不足。从制备上而言,蓝宝石晶体生成所需能量大约是大猩猩玻璃的100倍、价格则高十倍。虽然蓝宝石镜面比大猩猩玻璃更具耐刮性,但并不代表这种硬度排行第三,仅次于钻石的人工合成蓝宝石晶体就真的不会刮伤。最为关键的一点是,蓝宝石镜面的透光率与表面折射率没有大猩猩玻璃这么好,与标准玻璃相比,大猩猩玻璃具有良好的可读性,反射率比标准玻璃高75%,并且在相同亮度下对比度提高了50%。这直接影响到强光之下的充电效率与液晶表盘的清晰度。仅此一点,就完胜了蓝宝石镜面。可以说我在对比了从Fenix3到Garmin Fenix 6X Pro Solor历代最高型号腕表之后认为,Garmin选择康宁大猩猩玻璃DX作为太阳能型号腕表的表层玻璃着实明智,强光下高清晰度表现绝对让人难忘。

大猩猩玻璃实际表现优异大猩猩玻璃实际表现优异

蓝宝石(左)与大猩猩玻璃(右)效果对比蓝宝石(左)与大猩猩玻璃(右)效果对比

这应该是Garmin最清晰的屏幕表现了这应该是Garmin最清晰的屏幕表现了

表面的疏水性极佳表面的疏水性极佳


令人惊艳的续航能力

再厉害的供电系统,也架不住无限量的设备耗能。如何评定其厉害与否,续航能力是最直观表现。恰好疫情期间无法出差,我刻意测试了一下手中Garmin Fenix 6X Pro Solor的续航时间,在设置成节能模式之后,满电腕表使用了接近78天,加上不定期为其晒晒太阳,又增加了16天续航。数据与官方给出的每天3小时暴露在50000Lux光照度下,可续航120天略有差距,不过考虑到我自身测试并没有足够的光照补充,已经足够惊艳了。

Garmin给出的各种使用场景续航Garmin给出的各种使用场景续航

日常正常使用续航能力日常正常使用续航能力

省电模式下续航能力省电模式下续航能力

日常耗电控制得不错日常耗电控制得不错

这里必须为Garmin工程师再次点赞,为了保证使用Garmin Power Glass技术的腕表拥有持久电量,秒杀同行们那短则半天,长则数天的续航能力。他们没有奢望将Garmin Power Glass通过升压方式,为内置3.7V 接近1.6Wh的锂电池主动充电,而是直接让其作为辅助能源,为这只小于1.4英寸的手表,从表壳,组件,电池到传感器(例如加速计,陀螺仪,电子罗盘,气压计,PulseOx传感器等)等众多节能元件供电。当然了,工程师们还为用户提供了高度可定制的Power Manager软件系统,让使用者可以自主停用能耗大或暂时不使用的功能来动态调整设备的能耗。并随时监控和控制各种情况下的能源使用情况,最终达到数月的惊人续航能力。

Fenix 6X Pro Solar内置电池Fenix 6X Pro Solar内置电池

各种传感器可定制化关闭各种传感器可定制化关闭

麻雀虽小五脏俱全麻雀虽小五脏俱全

晚上通宵拍照工作时的环境光丝毫没有放过晚上通宵拍照工作时的环境光丝毫没有放过

户外工作长袖防晒遮挡了部分阳光户外工作长袖防晒遮挡了部分阳光


研发道路上的聪明选择

良禽择木而栖,这句中国的老话现在看来说的不单指人才,用在技术上同样有效。科技技术高速发展的今天,一项好的技术可能从发明到消亡仅仅是昙花一现的时间。不少发明家的革命性发明,往往因为没有被合适的伯乐发现,以及足够的资金进一步论证,而倒在成功前的一刻。在我采访的众多科技企业之中,Garmin是一家特别敢于大笔投资技术的企业,从2015年5.5亿美元营收手握3.83亿现金到2019年9.46亿美元营收手握5.81亿现金,产品阵容通过对研发的投资以及并购而不断得到改善。这成就了收入的增长和稳定的现金流。不过分地说,Garmin是一家可靠的现金流企业。而多年来,这大笔的现金通常被用来保持对研发支出每年10%到15%的增加之上,以使其能够继续改进和扩展Garmin的产品。并且还被用于对具有发展前景的技术收购,包括在2019年收购了室内自行车公司Tacx,以及法国专注于太阳能技术的Sunpartner公司。

迎光而行---解读Garmin Power Glass技术

其实早在2014年10月31日,法国Sunpartner公司就提出并获得了一项名为《Display device with photovoltaic cells integrated into the screen and improved screen luminosity and reflectivity》的专利,也就是在屏幕中集成了光伏电池并改善了屏幕的光度和反射率的显示设备。而现在该专利的持有者为Garmin瑞士分公司,该专利也成为了支撑Garmin太阳能技术 Garmin Power Glass的根基。

技术道路上的聪明选择
技术道路上的聪明选择


技术道路上的聪明选择


难怪当年第一次采访Garmin中国区资深营销总监周子尧的时候,我曾提出过一个问题:“Garmin在智能穿戴上发展迅速,是否考虑加入太阳能技术”?当时得到的答复是“时机成熟的时候会有的”。这句话我这些年一直记得。而现在,Garmin已经兑现了当初针对太阳能技术的承诺。


结语:

作为一个负责技术版块的汽车记者,这十数年来,不论是奔波上千公里的轮胎测试,还是深入旷野的四驱系统取样。亦或是为了见证不同地域的续航里程使用情况,从极地到赤道的大纬度跨越,我永远不缺的就是野外工作任务。这让我一直都需要担忧,如何为工作之中所使用的各类炉灶、相机、仪器或是腕表提供额外临时的能源补充。现在我已经确认这只Fenix 6X Pro Solor可以剔除出担忧名单,因为Garmin的Power Glass技术能让它比我扛得更久。

每一块都代表Garmin技术力的提高每一块都代表Garmin技术力的提高


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