能量采集技术简介及发展现况
- 洪千惠
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由于从大自然环境中可以采集到各式各样的能量，并将这些资源转换成我们需要的电能，以便应用在各式各样的用电产品。然由于发电技术的不同，必须因应个别环境设计来采集到能量，搭配设计出符合成本效益的电源系统，以达到最大能源采集效益…
国立交通大学电机系教授邱一先生以「能量采集技术简介及发展现况」为题，介绍并分析当今世界上普遍使用的能源采集方式，以及各种微型发电技术，并说明应用实例、发展现况，以及未来可能方向。他先简介能量采集(Energy Harvesting)或猎能(Energy Scavenging)，就是将大自然环境的能量转换成可以用的电能，以供应电子装置来使用。
与能量采集相对应的名词就是微发电(Micro Power Generation)，亦即奈瓦、微瓦到毫瓦(nW-µW-mW)的电能产生，包括环境采集到的能源、微型内燃机、燃料电池等所产生的电能等等。
以大自然环境能采集到的能源，包括地热、太阳能、风力、水力等发电方式，从远古至今早已在使用，这些都是属于大型电力供应系统。若应用在一般生活上的小型发电应用，就有太阳能计算机、手摇式发电手电筒等产品，也是利用能量采集的方式来自我供电；而设计这些微型发电技术的目的，主要就是希望未来能用来取代移动设备、穿戴式装置、或物联网传感模块内部的电池，以减少外部电力需求与电池对环境的污染。
适用小型电子装置的微发电技术
以早期所提到的WSN(无线传感网络)、IoT(物联网)、以及穿戴式装置为例，这些装置是以大量分散式系统的方式，透过各节点(Node)侦测与蒐集数据，并传递到中间的闸道器将数据累积起来，最后送到中央服务器以做数据统整。当Node数量变大且散布在各地时，若每个Node都要配置电池，其整体成本(安装、维护)负担非常高。要是每个Node都有自己的发电系统，就能自给自足，并达到不用更换电池的目的。
邱一说明Sensor Node(传感节点)的架构，包括微传感器、微控制器、RF、能源管理、能量供应等元件。其中的能量供应可包含：能源储存元件(电池或电容)与微发电元件(从环境所采集到的能源)两部份。在设计电源系统时，要顾虑到耗电方与储电方是否可以吻合需求，这也就是能量采集应用上的重点。
微发电技术应用实例
由于微发电技术可应用的范围很广，包括建筑、工业、大楼/家庭自动化、健康监测等领域。像是桥梁、道路、水利等防灾侦测，工厂侦测都可以运用能量采集来减少外界电力需求。例如桥梁、铁轨和路面可透过振动来产生电量。邱一列出一项在加州桥梁做的实际测试，采用一组可以蒐集振动能量的微发电模块，大小跟一颗一号电池一样，其输出能量是倚赖外界的车流振动所产生的振动力加速度来发电，有80~200μW的发电量。透过此模块不只可以检测到振动状况，也可统计一天下来可累积多少能量，以做为节电传感模块的电源设计参考依据。
至于和工厂监测相关的能源采集产品，有厂商推出免插电的振动源发电模块，大小约一颗小苹果一样，在1G振动下可产生约40mW的电力。另外也有运用温差原理来发电的模块，将之插在热气或热液管在线，透过与室温的温差来发电，当温差超过35度时就可产生足够的电能来维持该产品的运作。甚至有温差4度就可产生电能的产品出现。
此外像是EnOcean联盟，也推出各式各样的低功耗与能源采集模块，让传感器产品具有自我供电的能力，锁定在只需50微瓦能耗的小型电子装置市场，包括无线和免电池开关，以及应用在建筑、居家、工厂自动化、照明、存在侦测、温度传感器等产品。例如有些历史古蹟墙壁不能打洞，就可安装免电池的无线开关来保持美观。
此外，在医学保健应用中，像是病人身上的传感模块Body Sensor Network，也可透过人体皮肤表面的温度来自我发电，供EEG、血氧等传感模块使用。另外也有透过人体动能来产生电能的应用，例如利用关节动作的电磁发电技术以及装设在鞋底的静电发电技术等。亦有在地板上装设压电发电元件，人在上面走动或跑动就能发电。
微发电装置的电源系统设计
从上述案例可知，包含太阳能、振动、热能、RF等环境资源都可透过适当发电技术来应用在各种场域。不管是哪种发电技术，必须考虑其体积大小、发电原理、电能效率与使用特性，来与自己的传感装置做搭配。
邱一以自己实验室所研究的振动发电技术经验为例，比较各种振动来源所产生的频率与加速度峰值，以及电磁、压电、静电式等发电技术的效率。同时以系统方块图来说明在设计无线传感模块时，整合了这些发电技术之后的所面临的各种挑战，以及应该要注意的整体系统成本效益。
总之，能源采集技术的发展，已从单一装置转换成整合于系统内或场域中。应用实例也从单一元件进化到整个系统，包含学术与商用领域都有应用能源采集技术的成果。如今微发电产品已可做到产生10以上的电能等级，未来就看各种杀手级应用，来让这些微发电技术产品发扬光大。
