迎接物聯網時代,讓環境中的微震動來充電!

圖一 聯網裝置數量成長預估。顏色代表分別為黃色-固定電話、橘色-手機、深橘色-電腦/平板、淺綠-短距IoT、深綠-長距IoT (資料來源: Ericsson Mobility Report November 2017[1])
撰文|蘇建翰

日常生活很難離開網路,重重的網路連結讓日子變得更便利──從早期家用電話的市話網路、桌電上網一般用的固網電信,以及現在手機使用的行動網路等,這一個追求方便還要更方便的故事當然不能就此打住,現在人們已經不滿足於此,而把目光放向周遭的各種小裝置和家電,希望也能和這些物品有所連結好方便下指令,而幫助我們達成這個目標的就是物聯網(Internet of Things, IoT)的技術。

物聯網裝置一般又分為利用藍牙、Wifi等傳輸距離多在一百公尺以下的技術的裝置,以及應用於行動網路建置長距離服務的裝置。一份企業的研究報告指出[1],2017年末計有七十億台物聯網裝置,預估在2023年這個數量將會放大到200億台,通訊產業另一個引人注目的5G領域,也被預期將助長對IOT應用的需求。

手機快要沒電的時候是不是會感到一絲焦慮,如果又剛好身邊沒帶行動電源或者找不到插座會不會覺得渾身不對勁呢?現在每個人身上帶的、家裡用的,需要用到電池的聯網裝置數量或許還算少,然而在可預見的未來,無論是交通工具、機台、感測器、消費性電子產品都將使用到IOT技術,其中有很多都是無線連接的所以必須要裝有電池,這麼大量的裝置如果全部都依照我們現有這種用完電拿去充電或者換電池的方式,那麼光是電量的管理,比如什麼時間什麼裝置要拿去充電,充電時家裡的插座夠不夠用等等問題,肯定得讓人大傷腦筋。

因此,如果要讓物聯網技術能夠廣泛被使用,同時又不想要生活在一堆電源線中,電池問題肯定是擋在前方的關卡之一。俗話說的好,山不轉路轉,路不轉人轉,今天我們不想動手去充電,那就想個辦法讓電池自個兒充電去吧,自己的電自己充!面對這個想法,能源採集(energy harvesting)正是一門發展中的技術,讓這個看似天馬行空的妄想落地成為可實現的目標。

能源採集的目標在於從周遭環境獲取能源,而這個來源可能是我們較為熟知的太陽能風能等自然產生的能源,體溫或者環境溫度差所蘊含的熱能,也可以從電視、微波爐、路由器等電器發出的輻射中擷取能源,另外,物體移動或形變的機械能變化也可以是能源管道之一[2]。

其中,採集機械能的這類發電機在機制上可以粗略分為分別是壓電型(piezoelectric)、靜電型(electrostatic)以及電磁型(electromagnetic)三種[3]。接下來將以靜電型的能源採集做為討論主體,不過在那之前先讓我們一起複習一個常見的電路元件──電容器。

電容器大部分都是由中間隔有介電質的兩個導體/電極組成,這兩個電極在平衡時會分別存有電量相等的正負電,是一種能夠儲存電能的元件。電容器儲存電能的能力和物理結構有關係,以兩個平行板電極組成的電容器做為例子,其儲電能力和兩電極板之間的距離成反比,和電極彼此重合的面積成正比[4]。

圖二 傳統利用環境震動來發電的發電機設計以及新構想
(資料來源: Tokyo Institute of Technology and the University of Tokyo [5])

靜電型的發電機便由可變電容和永電體(electret)組成,利用環境中的震動來發電。你或許沒聽過永電體,但你一定看過也玩過永久磁鐵,而就像永久磁鐵可以一直保有磁性,你可以將永電體當作是永久磁鐵在電學的攣生兄弟,是一個帶電、電量近乎永久不變的材料。發電機中電容其中一個電極會和彈簧連結。因此,當週遭環境有振動發生時,依據振動方向的不同,電容器電極彼此重合的面積(如圖二所示)或者是電極間距離就有可能改變,使得儲電能力產生變化,誘發電子流進流出電極,就可以產生驅動裝置的電流。

傳統上在製造這類發電機時,會將永電體和電容封裝在同一個晶片上,由於製程上必須考慮他們之間的相容性,因此發展也就比較受限。或許就像人和人之間一樣,有些時候個性不同的人放得太近會去在意對方容易產生彆扭的感受,稍微隔點距離各自過得快活,相處起來也會更加和樂融融。來自東京工業大學的研究團隊就提出了一個新的設計[5],這個設計多引入了一組電容,將永電體和可變電容分別製作在不同的晶片上,設計上便可以從相容性的限制上解放,分開去設計這兩個部分讓他們各自都能有更好的表現之後再組合起來。

迎接物聯網到來,未來的生活將會充滿許多需要用電的小型裝置、感測器。我們對於發電的想像一般都是那種大型的發電廠,或者至少如一些柴油發電機也有一定的體積,能源採集的發展可以滿足更微小的發電需求,恰好能應對這股趨勢,幫助我們擺脫電源線的束縛。

 

參考資料:
[1] https://www.ericsson.com/en/mobility-report/reports/november-2017/internet-of-things-outlook
[2] N. Garg and R. Garg, "Energy harvesting in IoT devices: A survey," 2017 International Conference on Intelligent Sustainable Systems (ICISS), Palladam, 2017, pp. 127-131.
[3] Beeby, SP, Tudor, MJ and White, NM (2006) Energy harvesting vibration sources for microsystems applications. Measurement Science and Technology, 17 (12), R175-R195./
[4] 電容器
[5] Putting that free energy around you to good use with minuscule energy harvesters

 

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