本期文章

打造隨手可得的「微型綠能」應用

撰文/江城    

為了擺脫纜線的束縛,從佈線以及更換電池和充電的煩惱中解脫而出,「自發電」技術一直是近代工程師們追求的目標。經過長久的努力,能量採集(Energy Harvesting)技術已經取得了長足進展,近年來和無線感測器網路(WSN)結合,在大樓管理、工業自動化、環境監控應用中展現了極大發展潛力,並延伸到消費性應用中,開發出許多運用振動發電原理為可攜式裝置充電的新穎產品。



能量採集一般定義為透過收集光、熱、振動和電磁波等能源,並將之轉換為電力,為設備本身提供足以維持正常運作的能源。經由這些周圍環境的自然「現象」所獲取的能量都非常微小,能夠提供的輸出電力相當有限,因此在大部份應用中都將能量採集技術與感測器和無線元件結合,打造出可將獲取的電力供給元件本身使用,或是傳送到其他能運用這些微小電力的可攜式設備中。



就技術形式來看,能量採集可區分為四項關鍵技術:太陽能、電動(Electrodynamos)、壓電(Piezoelectricity)和熱電(Thermoelectrics)。據IDTechEx預估,2022年整體能量採集設備的市場規模可望超過50億美元,太陽能仍將持續主宰消費性應用,但其他的能源採集技術都將在工業領域中找到更廣闊的應用市場。



目前引領能量採集市場的仍然是太陽能電池和電動這兩項相對較成熟的技術,然而,更多新興技術正在快速發展,例如,美國能源部(DoE)正在和BMW與GM等公司合作,轉換引擎廢熱並反饋給汽車電力系統使用;美國太空總署(NASA)也在火星任務中使用了熱電技術。



另外,壓電池能量採集技術也由於外形可製作得更加精巧引起更多關注。該機構預估2018年壓電式能量採集市場將達1.45億美元,每年的年複合成長率達38%,到2022年該市場更可望成長到6.67億美元。



電源挑戰



在開發採用能量採集技術的系統之前,必須先思考兩個主要問題:哪一種能量採集技術最為合適?以及如何提升能量轉換效率?



對能量採集系統而言,電源管理能力至關重要。一個典型的能量採集系統一般包含了能量收集、轉換、電源管理、感測器、微控制器、MCU、儲存裝置(超級電容器或可充電電池),以及無線通訊組件。



在採用能量採集技術的系統中,由於所輸出的電力都是相當「微量」,加上這類系統一般都訴求長達數年甚至數十年的長使用壽命,隨時間推移其輸出電力可能會出現較大幅度的變動,因此,這類系統的電源設計中必須加上用於蓄電控制的電源控制電路。



案例一:富士通



能量採集系統的關鍵元件技術近年來取得了相當大的進展,富士通(Fujitsu)今年中以同時支援振動及光源能量管理的能量採集電源管理IC引發業界高度關注。在僅能獲取微量能源的系統中,對電源管理元件的精確性要求非常高,富士通針對振動或光源能量管理而開發的超低功耗DC/DC降壓轉換器,便採用了該公司的超低功耗技術,將待機功耗降到了1.5uA,並可在0.35V超低輸入電壓下啟動系統。同時,由於具備最大功率點追蹤(MPPT)特性,因此能追蹤最高的電壓電流值,讓系統以最高的效率為蓄電池充電。



能量採集成功的基礎在於獲得的電力,必須盡可能地比其自身運作所消耗的電力大,才能確保效率夠高、夠耐用。因此,在所有運用能量採集技術的電路設計中,其內部採用的所有元件都必須具備低功耗特性,包括無線收發器、微控制器、感測器,以及必要的電源管理元件等。



在先進半導體技術的推動下,目前的轉換器和驅動器都已經可達到微瓦級的超低功耗運作水平,無線通訊元件的功耗也愈來愈低,大幅推升了能量採集技術在實際應用中的可行性。



案例二:瑞薩電子



一個例子是瑞薩電子(Renesas)幾年前開始和株式會社音力發電合作,開發出可將按下按鈕的力量轉換為電能的系統。該公司將2.4GHz的無線收發模組結合音力發電的振力電池,開發出小型的無線發送系統。瑞薩披露的資料顯示,每次在按下振力電池的按鈕時,就可傳送幾個字節的資料。



而採用類似的振動發電原理,瑞薩也開始跨界結合系統供應商、板材供應商等業者,同樣採用來自音力發電的發電地板,開發出只要踩上去就可將踩踏的力道轉換為電力的地板。這項技術若能成功普及到建材之中,預計將對未來的居家能源系統設計帶來重大日影響。



另外,據日經BP報導,瑞薩最近也推出強化版的能量採集系統,可接收環境中的2.4GHz WLAN電波並將之轉換為電能。據稱新系統包含了電源管理元件、接收電波的天線和整流電路。瑞薩並未披露具體的元件細節,但具備升壓功能的電源管理元件明顯提升了新系統的整體效能。



根據報導,瑞薩以往的系統僅能在2.4GHz頻帶、輸出功率250mW的無指向性電波源距離30公分處驅動系統,而新系統運用相同電波源可在60公分處驅動系統,相當於提升了4倍的利用效率。



最新的電源管理技術將加快「無電池」能量採集系統的發展。理論上能量採集技術應該可取代目前應用在環境感測之無線感測器網路中的電池,作為直接驅動設備主要的能量來源,減少維修和置換電池的成本。但實現此一目標的前提是,電源單元必須在長時間運作下維持穩定的電力輸出,而且,無論任何能量來源都可能有中斷的時候,例如光照消失、沒有振動條件等。因此在朝無電池系統發展的同時,必須研究同時採用多個能量源,以及開發更高效蓄電裝置的可能性,這些都是能量採集領域仍待發展的環節。



能量採集走入消費市場



將人類自身運動的能量轉化為電力,一直是能量採集技術的一項熱門應用。現在,消費市場即將出現可商品化的成熟技術。一家名為SolePower的公司不久前在募資平台Kickstarter上啟動了一項專案,該公司開發的能量採集鞋墊正是透過行走來收集能量,但與過去的研究不同的是,SolePower將能量採集裝置做在鞋墊而非鞋子本身,因此只要買一個鞋墊,就可以用在很多雙鞋子中。


文章投票
今日訂購者 今日訪客:10958
   尚未登入
帳號(email) 密碼
文章總覽 首頁 雜誌清單 訂雜誌免費贈品 商品區
史上最優惠訂閱活動! 天下雜誌+任選一刊只要2980元 流行時尚雜誌最優惠活動!

■注意事項

方案為本站優惠活動,贈品選項為雜誌社活動; 在本站訂閱雜誌的讀者可同時享有。

品名 方案 原價 特價 起訂日期 贈品選項  
CTimes零組件ㄧ年12期續訂(請提供續訂編號) 0 1620  
CTimes零組件ㄧ年12期 0 1800  


雜誌生活網│ 公司簡介system by Twins
新北市汐止區連峰街7號  電話:02-2642-3366  傳真: 02-8646-2240
V