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能源採集走出實驗室 大步邁向商用化
救地球 這樣做就對了!

【作者: 王岫晨】   2010年10月11日 星期一

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能源採集(Energy Harvesting)是將原本會被浪費的能量再回收利用。小者如透過身體熱量供應小電器裝置所需電力,大者如利用大海洋流進行發電。目前在世界各國大力發展再生能源的情況下,使得能源採集再度引起人們的重視。透過能源採集,越來越小的電子系統可以利用非常低的能量運行,例如大型建築物中用於監控房間溫度的裝置,便可利用建築物自身的極微小振動來獲取動力。


Linear電源產品部行銷總監Tony Armstrong指出,能源採集的來源可以分成光電、線圈,或者透過溫度變化等方式來進行,發電後,再進行電力傳輸,以有效分配電力。能源採集非常適合用在建築物自動化、航太、熱風空調監控等領域。除了源頭的能源採集外,其他的流程都會有半導體廠商著墨的空間。


Tony進一步說明,目前許多低功率工業感測器和控制器,已經轉向採用可替代能源作為主要或輔助的供電方式。而利用現成的實體能源來產生電力的轉換器,正逐漸成為許多應用的最佳來源。這些實體能源包括溫差裝置(例如熱電發電機或溫差電堆)、機械震盪器(壓電或機電設備)以及光(如太陽電池設備)等。能源採集技術正積極推動許多無線感測器、遠端監視器和低功率應用等元件,逐漸朝向零功率的境界發展。


Tony說,儘管能源採集的概念在2000年初就已出現,但直到近期由於技術發展趨向成熟,才漸漸步入商用化階段。目前歐洲已有部分建築物的自動化感測器應用採用能源採集技術,這正說明了能源採集將逐步邁入成長期。



《圖一 能源採集到了極致,身旁隨處都將成為可採集的能源。》
《圖一 能源採集到了極致,身旁隨處都將成為可採集的能源。》

建築物自動化是能源採集最大市場

能源採集是指將閒置的資源如振動、熱量或光能等,轉變成可運用的電能,這也是可自供電式無線感應器的核心技術。廣義上來說,可供採集的能源包括動能(風、波、重力、振動等);電磁能(光伏和電磁波)等;熱能(太陽熱能、地熱、溫度變化、燃燒等);原子能(原子核能、放射性衰變等)或生物能(生物燃料、生物質能等)。而從振動、溫差、光及其它環境能源獲取毫瓦級電能的微能源採集也正在走向商業應用,這些微不足道的能量,適用用於提供穿戴式電子、醫療電子、無線傳感網路、Wi-Fi終端等超低功耗無線產品。


Linear電源產品部行銷總監Tony Armstrong表示,儘管能源採集的概念已出現許多年了,但要在實際的環境中建置一個能源採集系統並不容易,不僅麻煩,系統也複雜且昂貴。目前能源採集可行的應用領域包括交通運輸基礎設施、無線醫療設備、胎壓檢測等,其中最大的市場是建築物自動化。透過能源採集,建築物的感測器、恆溫器和燈光開關等系統都不必再使用傳統的電源與控制線路,而是以一組機械或能源採集系統來取代。


此外,建築物中的感測器也透過具能源採集技術的無線網路來進行控制,例如可視人員多寡來調控不同區域的供電、空調與照明等。其實能源採集電路的成本常常低於電源線路的執行成本,因此使用能源採集的技術將更具經濟效益。


Tony指出,電動車領域也是非常適合能源採集應用的領域之一,例如目前已有愈來愈多汽車開始採用再生性剎車系統、太陽能電池板,以及能源採集式減震器等方式來採集能源。不過礙於目前純電動車的年銷售量僅數萬台,將是阻礙能源採集在車用領域普及的最主要原因。


《圖二 Tony Armstrong說,目前許多低功率工業感測器和控制器,已經轉向採用可替代能源作為供電方式。》
《圖二 Tony Armstrong說,目前許多低功率工業感測器和控制器,已經轉向採用可替代能源作為供電方式。》

能源採集市場成熟 半導體廠磨拳霍霍

典型的能源採集系統,通常包含免費的能源來源,例如連接於某個機械振動源(一般建築物中常見如空調系統管路或玻璃窗)上的壓電轉換器。這些小型壓電元件能夠將微小的振動或應變差轉換成電能,再透過能源採集電路進行轉換,成為下游電路的供電來源。而這些下游電路,則包括某種類型的感測器、ADC(類比數位轉換器)或超低功率微控制器。這些元件能夠獲取所採集的能源,並以電流的形式存在,接著啟動感測器來取得讀數或測量結果,再透過超低功率無線收發器來傳輸這些數據資料。


  • 由於能源採集技術廣泛而多樣化,很難估計整個市場的規模究竟有多大。



由於能源採集技術廣泛而多樣化,很難估計整個市場的規模有多大,目前的研究方向,多半傾向於分析該技術如何取代電池的實際量化,而且還有很多應用沒有被發現。根據市調機構Darnell Group的報告指出,到了2012年,將有2億個能源採集器與薄膜電池投入應用市場。至於汽車、家庭、工業、醫療、軍事以及航太等領域的能源採集應用市場,將從2008年的1350萬套,成長到2013年的1.641億套。


無線感測網路可測量溫度、壓力與振動等參數,並將測量到的資料,透過無線網路發送至監測系統或控制中心,因此成為能源採集技術的首要應用目標。根據置放位置的不同,這些感測器節點應用在工廠自動化、條件監測和智慧建築領域,可從光、振動或其他方式採集能量,比如,鐘錶、計算器以及藍牙耳機等都是光伏電池應用的潛在領域。這些無線感測網路能帶來的直接好處非常多,例如能省下昂貴的感測器線纜,而在難以到達的建築角落中,也可以輕鬆安裝無線感測器。


近年來,能源採集技術已走出實驗室,逐步普及於生活角落中。雖然短期內,能源採集技術還不會完全替代所有電池應用,但其優勢已開始顯現。使用無線感測器,不需更換電池或維修便能持續運行數年,這真正達到低能耗、綠色環保,並且為使用者帶來長期的低成本效益。


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