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能量採集技術與物聯網應用整合研討會
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能量採集(Energy Harvesting)應用正快速擴張。物聯網(IoT)興起帶動各式感測器節點裝置迅速增加,這些感測器節點通常要求低功耗、常時運作(Always On),並且經常部署在偏遠、環境嚴峻等人員維護不易的地區,因而使得能量採集技術日益受到重視。根據研究機構Semico Research預測,至2020年,全球能量採集相關半導體出貨量將成長至7億7,700萬顆,2015∼2020年間的年複合成長率(CAGR)高達80.6%。屆時,智慧型手機將是最大應用市場,其次則是商業和工業應用的無線感測網路(WSN)。

現今已有愈來愈多半導體大廠與新創公司推出超低功耗微控制器(MCU)、電源管理晶片(PMIC)、電源轉換器(Power Converter)、換能器(Transducer),以及可充電鋰電池、薄膜電池或超級電容等能量採集關鍵零組件,以滿足上述物聯網節點的應用需求。Semico Research預估,未來四年,能量採集方案平均銷售價格(ASP)會持續下滑,促使相關設計成本進一步下降,並驅動市場滲透率大增。

從可蒐集能量的來源觀察,風力、太陽光電(Photovoltaic)、無線電波、熱電(Thermoelectric)、壓電/震動(Piezoelectric/Vibration)等都屬於可採集能量的資源(圖1),以目前技術發展最成熟的太陽能來說,單晶式(Monocrystalline)太陽能板光電轉換效率約15∼20%,是目前效率最高的太陽能發電方式,多晶式(Polycrystalline)成本稍低,但效率僅約13∼16%;另外,薄膜式(Thin-Film)具有量產容易、可撓曲、耐高溫等技術優勢,但效率僅7∼13%,壽命也較短;染料式(Dye Sensitized)量產也容易,並具備可撓與低成本的優勢,不過目前的轉換效率還不到10%。

圖1 環境中能源蒐集的來源

能量採集延長電池使用時間

而近年熱門的話題無線充電則是利用無線電波可以帶電的特性,不算是真正的能量採集,只是無線傳能的技術,中正大學電機系副教授蔡宗亨(圖2)表示,無線充電已經接近市場商用化的階段,2013年已有2,500萬個無線充電接收器,預估2023年將增加至17億個。另外,震動傳感器的機制包括以震動改變帶電結構體的間距、以震動改變金屬線圈與磁鐵的距離、震動使磁致伸縮材料因變形而造成磁場的改變、震動使壓電材料變形,並改變其電場進而產生電流。

圖2 中正大學電機系副教授蔡宗亨表示,目前技術仍需電池,但能量採集可以降低充電頻率,並且延長電池使用時間。

目前能量採集技術還在初步發展的階段,各式可攜式電子產品與物聯網終端越來越多,蔡宗亨解釋,相關技術尚未成熟到可以完全不採用電池,但透過能量採集可以降低充電頻率,並且延長電池使用時間。不過目前被提出的多種能量採集技術普遍都存在著轉換效率過低的問題,另外像是太陽能需要大面積鋪設才具備能量採集的規模,技術都還有待進一步突破,以提升其商業利用的價值。

追求Endless Power System

物聯網裝置幾乎都需要用電,但是如果需要不斷為這些裝置充電或換電池,對消費者將是非常大的困擾,所以低耗電的物聯網終端與能量採集技術非常重要,工研院資通所生醫與工業積體電路技術組經理黃昭仁(圖3)舉例,像手環與智慧手表這類穿戴式裝置,如果搭配能量採集技術,可將其充電/換電池周期從幾天大幅延長到數年,賣點就可以大幅提升。

圖3 工研院資通所生醫與工業積體電路技術組經理黃昭仁看好搭配能量採集技術,可將充電/換電池周期延長到數年。

以目前市面上常見的小米手環為例,若使用40mm×13mm的太陽能板,必須每周五天每天曬太陽1.5小時,可以發電205.1mW,而手環每周耗電約177.4mW,但實際執行的難度顯然頗高。在能源轉換效率的觀察上,主要有兩個方法:開路電壓法(Open Circuit Voltage, OCV)與擾動觀察法(Perturb and Observe, P&O)。最大功率點追蹤(Max Power Point Tracking, MPPT)主要為了提供最適合的操作環境,讓獵能器輸出最大功率。

對於能量採集來說,應用情境的不同,決定了系統架構的設計模式,黃昭仁說明,室內或室外、移動或固定系統,架構設計大不同,另外不同採集技術有不同的轉換效率,須視裝置對於能源的使用是高電量還是低電量操作,可攜式裝置大部分都是小電量操作,設計的重點就在低電壓的轉換效率上。總而言之,能量採集由於技術尚未成熟,目前雖然已經有許多應用需求,但系統設計的優劣還是大幅影響產品效能,對使用情境進行完善的了解與思考,才能設計出真正提升產品整體價值的架構。

Endless Power System是能量採集系統最終追求的目標,黃昭仁解釋,這樣的系統主要分成三個部份,首先系統耗電量要低,第二個部份在能量採集技術上的掌握度要提高,如何在有限的空間裡面增加採集系統的比重,以獲取最多的能量,並與電池容量/空間取得最佳平衡。另外,最大功率點追蹤演算法、使用情境與高效率換能器的設計也是重點,這與最後一部份電源管理有密切關係,整個系統的架構效率是重點,不僅省電效率要高、能量採集與轉換效率要高、能量使用管理效率也要高,才可以達成用電裝置不需充電的系統架構,化不可能為可能。

高效率儲能有助於系統穩定

能量採集之後首先要進行電能轉換,轉換後的電能通常還是要先儲存在電池或電容當中,再依應用需求進行放電,因此能量採集系統中電池或電容的儲電效率也非常重要。村田製作所(Murata Manufacturing)商品企劃推廣部資深經理川島淳志(Atsushi Kawashima)(圖4)說,電池與電容都是一般常用的儲能元件,依照不同使用情境進行區隔,需要緩慢且平穩的充放電時應使用電池,需要快速充、放電的應用如閃光燈,就採用電容。目前許多系統設計都採用兩者並存的設計,以因應不同的使用情境。

圖4 村田製作所商品企劃推廣部資深經理川島淳志說,電池與電容都是一般常用的儲能元件,依照不同使用情境進行區隔。

以物聯網終端的使用需求而言,許多裝置會安裝在偏遠與環境惡劣的地方,儲能的電池/電容使用壽命更形重要。川島淳志指出,以該公司的電容器為例,在經過10萬次的充放電過後,其蓄電率還維持在95%以上,衰退比例很低。電容雖然可以進行多次的充放電,但如果太長時間沒有進行一般充放電,約40天後電量就會完全流失,而電池在長時間沒有充放電的狀況下,80天後蓄電量還有90%以上。所以系統設計,要因應實際應用需求進行調配。

能量採集系統逐漸導入商業化

能源用電與環保、暖化等多年來已經是人類共同面對的重大議題,更潔淨的能源與用電效率不斷為各界呼籲,能源採集標的包括:太陽能、熱、震動、無線電波甚至是風力、潮汐等皆被視為較傳統發電方式的能源更為潔淨無污染或環保。加上物聯網概念的發酵,讓能量採集的需求更加具體,台大工程科學及海洋工程系教授吳文中(圖5)指出,市面上已經陸續出現採用能量採集技術的產品,Seiko早於1998年就推出一款利用熱溫差發電的手表,BMW也將熱能回收系統搭載於市售車,將可省油5%,預計2019年上市。

圖5 台大工程科學及海洋工程系教授吳文中指出,如何縮小體積又提高發電效率,就是壓電發電系統設計的重點。

震動或壓電的能量採集技術,簡單的說就是利用位能的轉換產生能量,一般而言垂直或水平方向皆可。壓電技術可以用微機電的方式加以小型化,但發電量也會跟著降低,吳文中表示,因此如何有效縮小系統體積,以便應用在更多小型裝置中,又能維持發電量與提高發電效率就是壓電發電系統設計的重點。其團隊2016年已經設計出54mm2,發電量423μW、15.2V、重1.5公克、142Hz並採用PZT 15μm製程的壓電發電元件,是目前全世界小型化壓電發電元件最領先的研究成果。

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