Page 8 - 能量採集技術開啟醫療應用新局

PULSE
技術脈動 利用振動和熱能為IoT裝置供電
作者 : Maurizio Di Paolo Emilio，Power Electronics News & EEWeb 主編
實現所謂的「零功率」(zero-power)感測器，需要從環境中的 能量來源採集能量。在將選擇範圍縮小到可用的能量來源之 後，下一個標準將是可用和所需的能量大小。
採集太陽能和風能可為高功 率解決方案提供堅實的基礎。熱 量通常可見於引擎、機器和其他來 源的廢棄副產物。
熱梯度(thermal-gradient) 採集是擷取環境熱量並將其投入 使用的過程。在利用環境現象擷取 能量的眾多方法中，利用壓電元件 將振動轉化為電能的方法似乎特 別有效，根據尺寸和結構，它能夠 產生數百微瓦的電能(μW/cm2)。
熱梯度
理想的熱電材料應該具有 低熱導率、高電導率和高塞貝克 (Seebeck)係數。利用熱電效應 實現能量採集，要歸功於發現 賽貝克效應(Seebeck effect) 的德國科學家Thomas Johann Seebeck。在熱電裝置中，當不 同的溫度結合時就會產生電壓。 同樣地，當施加電壓時也會產生溫 差。材料或元件在單位溫度下產生 電壓的能力被稱為塞貝克效應。
法國實驗物理學家Jean Charles Athanase Peltier發 現，當兩個導體的交叉點有電流流 過時，就會發生加熱或冷卻。無論 是向上還是向下，電流的方向決定 了溫度變化的方向。產生或吸收的 熱量與電流有關，這個比例常數稱 為帕爾貼係數。
透過溫度梯度採集能量，主 要是利用熱釋電(pyroelectric) 和熱電解決方案實現的。熱釋電 的應用有限，因為它需要可變的 溫度輸入，而其他方法則可以提 供數十萬小時的不間斷工作，但效 率很低。熱電解決方案是由帕爾貼 (Peltier)元件實現的。
機械振動是另一種為電子系 統提供充足能源解決方案的方 法。透過使用允許移動的特殊質 量(mass)和特定系統的壓電換能 器振動，已被廣泛應用於能量採 集應用。
「典型的熱電材料有碲化 鉍(Bi2Te3)、碲化鉛(PbTe)、三銻 化鈷(CoSb3)和矽鍺(SiGe)，所 有這些材料都能提供良好的性 能。」Applied Thermoelectric Solutions創辦人兼技術長Alfred
通常，用於創建p區域和n區 域的材料可實現每個元件的輸出 電壓為0.2mV/K (Bi2Te3)，而如果 熱電變換器使用多個p和n對，則 可以獲得更高的值(在ΔT=10K下 使用10個元件時可產生20mV的 電壓)。來源的等效模型可用帶有 RT輸出電阻的戴維寧(Thévenin) 發電機表示，可提供給負載的最大 功率則可透過阻抗適配Rload=RT
壓電轉換器利用直接壓電效 應，即某些晶體在受到機械應變 時產生電位差的特性。這種效應發 生在奈米級且是可逆的。最近，聚 合物塑膠基壓電材料(如聚偏二氟 乙烯或PVDF)已被開發出來，業界 正致力於尋找新材料和開發更先 進的製造製程。
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Piggott表示，「使用這些材料，熱 電發電機在設計合理的情況下，理 想應用中可實現高達9%~11%的 效率。哪一種材料最好取決於許 多考慮因素，但主要有賴於熱傳 導發電機的應用、預算和設計。」
獲得。兩點之間的溫差導致熱能從 最高溫度點流向最低溫度點。在 達到熱平衡之前，熱量將一直流 動，並可用來採集可重複使用的 能量。從熱交換中提取能量的過 程受熱力學定律支配。
壓電效應
壓電效應將振動或衝擊形式 的動能轉化為電能。壓電發電機