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壓電能量擷取技術概說

2019-09-30

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(a)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(b)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]。

 

圖2(a) 應用於能量擷取之壓電樑(左圖)


圖2(b) 計算壓電能量擷取之數學模型(右圖)

 

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。

近年來被動式寬頻能量擷取的研究相當多,主要可分為以下機制:
(1) 多自由度耦合:利用多個壓電懸臂樑組合成多自由度耦合振動系統,這些懸臂樑具有不同自然頻率,因耦合效應,其響應頻寬會呈現寬頻帶的特性,如圖3(a)。
(2) 非線性振動:許多非線性振動具有寬頻帶特性,如圖3(b),最常見的非線性設計為利用磁鐵產生非線性位能場,進而使壓電樑之振動產生非線性現象。
(3) 頻率向上轉換(frequency up-conversion):該設計係利用碰撞、撥彈方式,將低速運動轉換為高頻振動,進而蒐集高頻振動的機械能,如圖3(c)所示。該設計因轉換成較高頻率的振動,因此也較有利於儲能電路的設計。相較於前兩種設計,頻率向上轉換可適用於人體運動、低頻旋轉機構等頻率極低之能量擷取。

 

圖3 寬頻壓電能量擷取設計:(a)多自由度耦合;(b)非線性振動;(c)頻率向上轉換

 

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。

 

 

參考文獻
[1] Roundy S. et al, Improving power output for vibration-based energy scavengers. IEEE Pervasive Computing 4, 28-36, 2005.
[2] Erturk A. and Inman D. J., A distributed parameter electromechanical model for cantilevered piezoelectric energy harvesters. ASME Journal of Vibrations and Acoustics 130, 041002, 2008
[3] Chen C. D., A distributed parameter electromechanical model for bimorph piezoelectric energy harvesters based on the refined zigzag theory. Smart Materials and Structures 27, 045009, 2018.
[4] Yildirim T., Ghayesh M. H., Li W. and Alici G., A review on performance enhancement techniques for ambient vibration energy harvesters. Renewable and Sustainable Energy Reviews 71, 435-449, 2017.