能量採集技術簡介及發展現況
- 洪千惠
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由於從大自然環境中可以採集到各式各樣的能量，並將這些資源轉換成我們需要的電能，以便應用在各式各樣的用電產品。然由於發電技術的不同，必須因應個別環境設計來採集到能量，搭配設計出符合成本效益的電源系統，以達到最大能源採集效益…
國立交通大學電機系教授邱一先生以「能量採集技術簡介及發展現況」為題，介紹並分析當今世界上普遍使用的能源採集方式，以及各種微型發電技術，並說明應用實例、發展現況，以及未來可能方向。他先簡介能量採集(Energy Harvesting)或獵能(Energy Scavenging)，就是將大自然環境的能量轉換成可以用的電能，以供應電子裝置來使用。
與能量採集相對應的名詞就是微發電(Micro Power Generation)，亦即奈瓦、微瓦到毫瓦(nW-µW-mW)的電能產生，包括環境採集到的能源、微型內燃機、燃料電池等所產生的電能等等。
以大自然環境能採集到的能源，包括地熱、太陽能、風力、水力等發電方式，從遠古至今早已在使用，這些都是屬於大型電力供應系統。若應用在一般生活上的小型發電應用，就有太陽能計算機、手搖式發電手電筒等產品，也是利用能量採集的方式來自我供電；而設計這些微型發電技術的目的，主要就是希望未來能用來取代行動裝置、穿戴式裝置、或物聯網感測模組內部的電池，以減少外部電力需求與電池對環境的污染。
適用小型電子裝置的微發電技術
以早期所提到的WSN(無線感測網路)、IoT(物聯網)、以及穿戴式裝置為例，這些裝置是以大量分散式系統的方式，透過各節點(Node)偵測與蒐集資料，並傳遞到中間的閘道器將數據累積起來，最後送到中央伺服器以做資料統整。當Node數量變大且散布在各地時，若每個Node都要配置電池，其整體成本(安裝、維護)負擔非常高。要是每個Node都有自己的發電系統，就能自給自足，並達到不用更換電池的目的。
邱一說明Sensor Node(感測節點)的架構，包括微感測器、微控制器、RF、能源管理、能量供應等元件。其中的能量供應可包含：能源儲存元件(電池或電容)與微發電元件(從環境所採集到的能源)兩部份。在設計電源系統時，要顧慮到耗電方與儲電方是否可以吻合需求，這也就是能量採集應用上的重點。
微發電技術應用實例
由於微發電技術可應用的範圍很廣，包括建築、工業、大樓/家庭自動化、健康監測等領域。像是橋樑、道路、水利等防災偵測，工廠偵測都可以運用能量採集來減少外界電力需求。例如橋樑、鐵軌和路面可透過振動來產生電量。邱一列出一項在加州橋樑做的實際測試，採用一組可以蒐集振動能量的微發電模組，大小跟一顆一號電池一樣，其輸出能量是倚賴外界的車流振動所產生的振動力加速度來發電，有80~200μW的發電量。透過此模組不只可以檢測到振動狀況，也可統計一天下來可累積多少能量，以做為節電感測模組的電源設計參考依據。
至於和工廠監測相關的能源採集產品，有廠商推出免插電的振動源發電模組，大小約一顆小蘋果一樣，在1G振動下可產生約40mW的電力。另外也有運用溫差原理來發電的模組，將之插在熱氣或熱液管線上，透過與室溫的溫差來發電，當溫差超過35度時就可產生足夠的電能來維持該產品的運作。甚至有溫差4度就可產生電能的產品出現。
此外像是EnOcean聯盟，也推出各式各樣的低功耗與能源採集模組，讓感測器產品具有自我供電的能力，鎖定在只需50微瓦能耗的小型電子裝置市場，包括無線和免電池開關，以及應用在建築、居家、工廠自動化、照明、存在偵測、溫度感測器等產品。例如有些歷史古蹟牆壁不能打洞，就可安裝免電池的無線開關來保持美觀。
此外，在醫學保健應用中，像是病人身上的感測模組Body Sensor Network，也可透過人體皮膚表面的溫度來自我發電，供EEG、血氧等感測模組使用。另外也有透過人體動能來產生電能的應用，例如利用關節動作的電磁發電技術以及裝設在鞋底的靜電發電技術等。亦有在地板上裝設壓電發電元件，人在上面走動或跑動就能發電。
微發電裝置的電源系統設計
從上述案例可知，包含太陽能、振動、熱能、RF等環境資源都可透過適當發電技術來應用在各種場域。不管是哪種發電技術，必須考慮其體積大小、發電原理、電能效率與使用特性，來與自己的感測裝置做搭配。
邱一以自己實驗室所研究的振動發電技術經驗為例，比較各種振動來源所產生的頻率與加速度峰值，以及電磁、壓電、靜電式等發電技術的效率。同時以系統方塊圖來說明在設計無線感測模組時，整合了這些發電技術之後的所面臨的各種挑戰，以及應該要注意的整體系統成本效益。
總之，能源採集技術的發展，已從單一裝置轉換成整合於系統內或場域中。應用實例也從單一元件進化到整個系統，包含學術與商用領域都有應用能源採集技術的成果。如今微發電產品已可做到產生10以上的電能等級，未來就看各種殺手級應用，來讓這些微發電技術產品發揚光大。
