本期文章

俯拾即得 能量採集落實智慧生活

撰文/丁于珊    

隨著手機的演變,從最基本的電話功能到現在有如一台掌上型電腦,用戶對於電池續航力的要求也越來越高,在電池容量沒有太多突破的情況下,為此半導體廠商發展出許多節能技術來滿足需求,低功耗也成為這十幾年來電子設計的重要標準。

然而,在物聯網時代的來臨後,造就了許多的新興市場,但是同時也帶來許多的改變及新挑戰。除了消費性電子裝置之外,有越來越多環境監測的感測器設置在難以到達的地區,因此除了低功耗之外,長期、穩定的電力來源才是有效解決電池容量有限問題的方法。


電池再見 能量採集自主供電
隨著通訊技術的進步以及周遭環境基礎建設完善的情況之下,越來越多M2M設備出現在生活周遭,這也意味著在我們的生活當中,充斥著各種不同的感測器,牆壁、道路、床墊、衣服、鞋子甚至是人體內都隨處可見感測器的蹤跡。

然而,這些數以百萬的感測器也帶來許多的挑戰,如縮小尺寸、降低功耗、通訊標準或是供電問題。除了消費性電子不必擔心電力來源之外,這些安裝在各個地方的感測器對於電力需求也許是一大問題,而目前大多數的感測器都必須仰賴電池或者電網來提供所需電力。

不過不管是哪一種方法都有相當大的不便,電網必須透過電纜與感測器連結,才能夠供電,但這卻大大的限制了感測器放置的地點;而對於部分感測器而言,更換電池也必須耗費許多人力及物力,也因此經常造成後期仍必須支付龐大的維護成本。

為了解決這樣的問題,盡可能降低感測器的功耗是現在最為普遍的做法,不過儘管如此,電池的壽命仍然有限。如何提供這些數十億聯網設備穩定的電力,答案很明顯,那就是「能量採集」(Energy Harvesting)。能量採集讓感測器能夠擺脫電池的限制,增加使用壽命。另一方面,這些M2M裝置體積日益縮小,其功耗也越來越低,透過周圍採集而來的能量已經能夠自給自足,而不需要再額外建置電網。


物聯網加速能量採集市場成長
也因此,能量採集市場每年都在成長,市場也預測此一趨勢將會持續發展,特別是在新型態的能量採集無線系統出現後。高通、德州儀器、ARM等許多廠商也正致力於開發各種技術,讓感測器能夠自行製造所需的電力,並且打造儲能系統,將多餘的電力儲存以備不時之需。

除了各大廠之外,歐盟也資助一億美元的研究經費給來自西班牙和義大利的四家企業,以開發下一世代自主供電的無線感測器,西班牙Padova大學教授Michele Rossi表示,通訊技術不斷的進步,已經解決了感測器在網絡通訊上的許多限制,而現在最大的挑戰是如何讓這些感測器能夠透過環境自主供電,保持通訊功能不因電力不足被中斷。

因此,能量採集的話題因物聯網的到來在一次備受重視,根據市調中心IDTechEx預測,能量採集和儲存的設備市場營收將會從2012年7千億美元成長至2024年的260億美元,其中熱能的能量採集市場規模將在2023年達到8.65億美元,而2020年將會有超過250億個感測器都採用能量採集技術來供電。

就物理學的角度來看,能量可說是無所不在,例如熱能、動能、光等,而所謂的能量採集,指的是收集周遭環境中微小而未被利用的能量,透過技術將其轉換微電能。市調機構分析師Susan Eustis表示,能量採集技術提供了一種廉價、有效率的方式來供電,並且可以長期的維持電子設備電力來源,擺脫電池的限制,同時此技術也提供了一個乾淨、有利於環境的能源。目前,晶片廠商面臨的挑戰就是如何收集這些能量,並將轉換為電能然後儲存。

事實上,能量採集技術並不新鮮,市場上也早已有各種不同的解決方案,例如透過跑步的動能幫手機充電、由飛機起降產生的溫差收集能量,但是能量採集技術目前正面臨一個瓶頸,挑戰之一就是需要更低功耗的裝置和一個更有效率採集以及儲存能量的設備。

其中,低功耗的電子裝置技術發展已經極為成熟,但是現有的能量採集技術卻無法有效的將能量轉換為電力,這些電流通常只有幾百微安,就以跑步幫手機充電的案例來看,使用者也許得跑上數十個小時才能將手機充飽,似乎有點不切實際。

不過若是以感測器而言,例如煙霧偵測器、警報感測器、智慧電錶或遙控器等應用,這種微量電流卻已經足夠保持其正常運行。德州儀器工程師Yogesh Ramadass指出,能量採集的微量電流也可用於植入體內的醫療電子設備、監控感測器或者一些小型設備上,而部分的穿戴式設備更成為推動能量採集技術普及於市場的動力。


能源無處不在 採集方式多元化
近來最為普遍的能量採集類型大致分可為五種 - 動能、熱能、壓力、光以及電磁波。動能型的能量採集技術發展已經有十幾年的歷程,這一類型的晶片大多適用於手錶或者移動中的裝置上,而德國能源公司EnOcean執行長Laurent Giai-Miniet指出,最新的技術已可以從流動的氣體或液體中擷取能量,延長智慧電錶的使用期限。

光的能量採集技術,最為熟知的就是太陽能板,不過現今的挑戰在於縮小太陽能板體積的同時,能夠更有效的收集陽光。Laurent Giai-Miniet認為,若能解決此問題,並提昇能量儲存的效率,那麼未來室內的設備在透過太陽能充滿電之後,可望在黑暗的環境下運作數個月或甚至達到一年。

電磁波也是這十幾年來,許多公司長期研發的能量採集技術之一,但挑戰是如何收集到足夠能量的電磁波並將其用在大範圍的面積上。


廢熱再利用 提供乾淨能源
熱能則是透過環境上的溫差來得到能量,常見的應用包括用於貼近人們皮膚的裝置,藉由空氣與人體溫度的溫差來獲取能量或者是利用餘熱來發電。Laurent Giai-Miniet表示,透過溫差的採集方式目前仍處於初期的發展階段,不過前景看好,且收集方式也相當的多樣化,未來甚至可能透過白天與黑夜之間產生的溫度變化來收集能量,以驅動室外裝置的應用。

而餘熱的部分,也已有研究人員開發出新的電池技術,可用來收集廢熱並將其轉換為電能。由於在許多工廠或發電場內,機器運作時經常會產生大量的熱能,但過去這些熱能通常被當作廢熱而排放掉,根據美國環境保護署(EPA)統計,美國的工業能源損耗有三分之一為廢熱,若能夠將這些廢熱轉換為電力,可以減少能源消耗。

為此,世界各的的研究人員花了十幾年的時間,設法利用這些被浪費的能量。然而,儘管熱能的採集應用相當廣泛,但是真正用來發電的至今只有少部分的利基市場,因為過去熱能採集技術大多是透過熱電材料來收集,但這一類材料通常昂貴,且當溫差不大的情況下,轉換效率及低。

為了解決材料上的限制,MIT及史丹佛大學的教授和研究人員研發出新的方式,利用廢熱提高蓄電池溫度,透過熱電溫差效應(thermogalvanic effect)的原理,讓電池可用較低電壓充電,並在電池冷卻之後,在低溫的情況下可用較高電壓讓電進入電網,此方法能夠有效的採集廢熱轉換為電能。MIT教授Gang Chen指出,在50° C的狀況下,轉換效率可達到5.7%,較過去0.5%高出數倍。此外,此技術所使用的材料也較沒有限制,例如銅。


能量採集小兵立大功
在能源能夠自主的無線系統進步之下,其應用也將會更廣泛而複雜, 這些應用將會出現在各個產業,一些新的應用領域也將因此而受惠,一些案例包括:


1. 結構的健康監測(Structural Health Monitoring , SHM)
一些大型建築結構如橋梁、隧道、大壩、鑽井平台等。這些大行結構通常都面臨來自天氣、地震、車流或其他強大外力的威脅,透過環境光、溫差、或者振動都能滿足這一類型感測器的電力需求,使其能夠不間斷的持續監控,防止結構損害,而這些感測器也可對於雪崩或落石等自然災害近行警報。


2. 環境監測
在能源採集技術的支援之下,遠距離的無線感測器可安置於大面積的戶外環境中,以監測農場動物和農作物,並適時的對環境變化做出立即的應對。此一系統能夠用來防止森林火災的蔓延,確保農作物水源的灌溉,並得到最適當的照顧。


3. 資源監控
能量採集技術讓感測器具備的靈活性以及自主性,因此遠距的無線感測器也非常適用於遠程的環境監控,例如檢測水質、油、或者氣體外洩。


4. 智慧城市
根據統計,2030年將會有60%的人口居住於城市,為了提供足夠的服務,智慧監控系統將會是城市中的關鍵功能,這包括了智慧交通、照明、能源、運輸系統以及廢物處理等。要實現這樣的願景,仰賴於數以百萬能量自主的感測器結點,收集和提供必要的數據,以進行智慧控制。


5. 衛生保健
人口結構的變化和節節攀升的醫療成本造成各國政府極大的壓力,遠距醫療與照護則提供了一個很好的解決方案。為了因應這樣的挑戰,市場中也出現各種穿戴式裝置,能夠用來監控人類生理訊號,而有些設備需要長時間的運作,以收集最完整的數據。因此,利用人體熱能來發電成為集有發展潛力的技術。事實上,目前也已有能夠自主供電的智慧手環原型,可監控基本的生理訊號並發送無線訊號。


結論
上述這些都只是研究人員所研發能量採集技術的部分相關領域,未來也將會有更多的應用新領域及情境。而能量採集技術也奠定了物聯網的基礎建設,在這一波趨勢發展之下,已經讓低功耗的無線感測器開始朝向無所不在的階段邁進,而應用也將持續擴及消費性電子、工業、醫療等市場,並且提供一個對於環境更加有善的能量來源。


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