壓電能量擷取技術概說
陳重德 助理教授
國立成功大學機械工程學系
能量擷取技術(energy harvesting technologies)，又稱獵能技術或能量蒐集技術，是近20年興起之技術。能量擷取的目的藉由各種能量轉換機制，將廢棄能源轉換為可利用之電能。在此廢棄能源指環境、生物、設備、機器、移動載具中無法被利用的能源，例如太陽能、機械能、熱能等，如圖1所示。該技術最早應用於無線感測網路(wireless sensor network, WSN)，藉由無線感測技術，蒐集該區域的環境資訊。研究人員在佈建系統時，感測器的電力供應是該技術普及的重大關鍵之一，若更換電池的人力成本過高，感測器就必須有「自供電」的功能，從而帶出能量擷取技術的觀念。經過多年的發展，在擷取太陽能(或光能)的技術方面，已取得成熟的進展，其他機制的能量轉換，相關研究也蓬勃發展，尤其能量擷取技術具有取代電池的潛力，若技術成熟，可降低廢電池污染的風險。
在能量擷取領域中，機械能轉換為電能的概念逐漸受到重視，主要來自於該技術可擷取人體運動的能量，進而應用於穿戴式裝置。機械能與電能之間的轉換，主要有三種機制：磁電式、靜電式與壓電式，相較於前兩類，壓電式的優勢較多[1]，因此也較受到研究者的重視。本文將簡單介紹壓電能量擷取技術的基本原理以及未來應用。
圖1 能量擷取技術。
壓電材料及壓電現象簡介
壓電材料具有壓電效應及逆壓電效應，亦即具有機械能與電能互相轉換的特性，是一種常見的工程材料。1880年由法國的居禮發現壓電效應，隔年再發現逆壓電效應。居禮發現，某些材料受到變形後，會產生電位勢，此即壓電效應；相反的，施加電位能於這些材料，則會產生變形。具有壓電效應的材料可來自天然材料或人工材料，常見用於能量擷取的壓電材料為PZT與PVDF，前者為壓電陶瓷材料，後者則為壓電高分子材料，兩種材料皆需經過「極化」製程，讓材料內部之電偶極矩具有規則性排列，才具有壓電效應。
壓電材料應用於能量擷取
由於壓電材料具有機械能轉換為電能之特性，因此在能量擷取技術領域中，被應用來擷取振動能量，稱為壓電能量擷取(piezoelectric energy harvesting, PEH)。早期的壓電能量擷取設計，通常將壓電材料整合於樑結構，如圖2-1所示，當環境振動頻率接近樑結構之自然頻率時，因共振效應，即可將振動能量轉換為電能。通常環境振動頻率不高(小於100 Hz)，因此常將壓電樑設計成末端具有質量之懸臂樑形式，以降低其自然頻率，使其有機會與環境產生共振。在數學上常將懸臂樑模擬成單自由度振動模型、多自由度振動模型或連續自由度模型，如圖2-2所示。當給定壓電樑之幾何參數以及材料特性參數，現今已有成熟數學理論可計算振動模型之力學參數，進而評估能量擷取效率[2, 3]。
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圖2-1 應用於能量擷取之壓電樑。
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圖2-2 計算壓電能量擷取之數學模型。
壓電懸臂樑能量擷取的基本原理是利用共振效應，當環境機械能頻率與能量擷取結構自然頻率接近時，共振效應會放大壓電樑振動位移，進而增加輸出電壓以及輸出功率。充分利用共振效應可有效的提高能量擷取效率。但依賴共振原理的壓電擷取裝置，其最大挑戰是裝置的頻寬。環境的振動頻率通常無法保持固定，但壓電樑的自然頻率卻是固定的，當設計好一組壓電樑可符合某環境之機械能頻率，換了另一環境，機械能頻率落在原壓電樑的頻寬之外，能量擷取效率大幅降低而無法使用。這樣的發電效率雖仍不足以驅動如手機等電子用品，但可應用於大部分時間處於睡眠模式之感測器或無線發射器，在睡眠模式下，可盡量擷取能量將電路裡的電容充飽，再一次放電驅動感測器或無線發射器。
為了使壓電能量擷取設計更能適應各種環境，近年來學界在壓電能量擷取技術上的研究主流為如何設計寬頻(broad-band)能量擷取裝置[4]，亦即增加壓電能量擷取裝置的頻寬(bandwidth)，使其能適應各種頻率的環境，增加其應用性。增加頻寬的設計可概分為主動式寬頻以及被動式寬頻兩大類。主動式寬頻是利用主動方式改變能量擷取系統特性，進而改變能量擷取裝置之自然頻率，例如改變質量、剛性等。主動式寬頻雖可有效改變自然頻率，但主動式意味著需額外提供能量，壓電能量擷取所產生的能量通常為mW以下，通常不足以驅動此主動式寬頻所需的額外能量，因此這樣的設計只存在於早期的發展，近年來學界的主流已偏向於被動式寬頻之研究。
未來可能應用方向
目前擷取振動能量的研究眾多，但因壓電材料技術成熟、便宜，且具有高機電耦合係數，以及高電壓輸出等特性，比起磁電式及靜電式而言，在擷取振動能量領域，壓電式能量擷取仍被視為最具有潛力的技術。一般而言，利用壓電陶瓷PZT可達到50伏以上的電壓輸出，平均發電功率約10 μW ~ 0.1 mW，瞬間可達10 mW以上，視其體積及能量擷取設計而定，足以驅動耗電量較低的電子裝置。未來在穿戴式裝置、無線感測網路、生理訊號監測、居家生活網路等，其裝置之電源供應，有可能被能量擷取技術取代。
