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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2-1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]。

 

圖2-1 應用於能量擷取之壓電樑(左圖)。


圖2-2 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.
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