电子材料专论课件

1、題目: 採集能量專論 -以無線網路為例授課老師: 王俊惠 教授南榮技術學院電子工程系暨工程科技研究所 教學多媒體簡報能源採集(energy harvesting)近年來由於再生能源議題斷受到重視，將環境中潛在能源轉化為電能，已是自我供電系統中不可或缺的一環。能源採集(energy harvesting)也稱為能量收集(energy scavenging)來自於環境中各種形式能量，如熱能、動能、風力能、太陽能等。其中震動形式能量來源，受限外在環境因素影響較小，因此吸收外部振動能量並轉化為電能等相關議題，近年來受到廣泛地重視並被諸多國際實驗室定為重點研究領域。壓電材料應用在採集能量壓電材料具有結晶

2、之非對稱性，會使晶體呈現等效的電荷分離現象，即存在晶體中有特定大小的電偶極距(Dipole Moment)。隨外加應力或應變的變化，會產生電偶極距改變，使材料兩端產生電荷堆積，依壓電材料連接的電性負載大小，產生電能輸出，此種機械能轉換成電能的現象稱為正壓電性。若於陶瓷體上沿極化方向施機械應力，陶瓷體將出現壓縮變形，使得正及負束縛電荷距離縮短，即P=Qd ，極化強度減弱，於是吸附在電極面上的自由電子，將有一部分被釋放而出現放電的現象。當應力方向相反時，電荷的極性亦隨之相反，此種機械能轉變成電能的現象，稱為正電壓效應 。正 壓 電 效 應壓電效應實驗環境中潛在能源轉化為電能利用現成的實體能源來產生

3、電力的轉換器正逐漸成為許多應用的最佳來源；這些現成可用的實體能源：熱電發電機、壓電設備和太陽電池設備等。透過能量採集技術，正積極推動了眾多的低功率應用逐漸發展成為近乎零功率的元件。能源採集技術的發展首先在一些大型的網格網路設計構想中，其網路節點可能會嵌入在數以億計的建築、機械裝置甚至是樹木中，但卻很難為這些節點更換電池，且維護成本高昂。其次是電力經常快速下降的手機和筆記型電腦電池。事實上，隨著這些裝置搭載愈來愈多功能，電力不足的狀況也隨之惡化。能源採集技術的發展第三是為無力購買電池的國家提供幾乎免費的電力和照明，事實上，很多這類地區甚至還無法供應電力。第四項是仿生學(Bionics)和感測器，

4、這部份主要是針對必須在體內裝設這類醫療裝置以維持生命的病人。而這也是當前大量生醫研究工作中的焦點。能源採集方法的市場應用大多數能量採集學者及專家認為，無線與低功耗電子元件的發展，以及感測器、MEMS(微機電系統、 Micro Electro Mechanical Systems)，等元件的演進，是對今日能量採集技術造成基礎性變革的因素。有關能源採集方法的市場應用，包括交通運輸基礎設施、無線醫療設備、胎壓檢測等，而迄今最大的市場便是建築物自動化。能源採集技術的發展能源採集技術的發展至少已有20年的歷史，適合應用在建築物監控、量測工具，以及安裝在不容易拆卸之處、專門監測建築物結構狀態等方面的所謂永

5、久性裝置(perpetual devices)。由於應用廣泛，該技術也逐漸受到產業界的重視。能源採集技術的發展針對建築物自動化而言，諸如佔用感測器、恆溫器和燈光開關等系統都不必再使用過去一般所需的電源或控制線路，取而代之的是一組機械或能源採集系統。那些永久性裝置的關鍵特性，就是他們能無限期執行任務，而且使用者不用擔心換電池的問題。能源採集技術的發展低功耗電子元件與無線技術的發展，讓能量採集技術打開在許多應用領域的能見度。由於無線通訊元件的功耗越來越低，是讓小型能量採集裝置終於找到用武之地的主要因素。能源採集技術的發展無線元件的成本越來越低、讓永久性裝置的應用越來越廣泛。使用能量採集裝置也會需要

6、電力儲存設備，能量採集公司正在開發一種長壽命薄膜電池。但無論是哪一種新技術，都需要有大量需求來推波助欄，才能降低技術的成本，並使該技術成為廣泛應用的主流；而能量採集技術的殺手級應用為何？能源採集技術的發展- 無線感測網路就大部分專家認為，答案是無線應用；因為許多不同應用的無線感測網路將會推動能量採集技術的普及。其中智慧建築(smart buildings)與智慧監測(intelligent monitoring)方案無線感測網路與植入人體的醫療感測器應用會是上述這類能量採集元件的殺手級應用。能源採集技術的發展- 無線感測網路透過能量採集裝置的協助，一套系統能收集/處理資訊或是傳送並分析其內容；

7、而這類資訊的共通性也是一個需要關注的議題能量收集技術能讓無線感測器網路中的遠端節點(remote node)，在無人管理的情況下持續運作多年；其工作原理是從一個環境電能轉換器(environmental transducer)儲存足夠的電能，然後週期性地驅動無線感測網路來讀取與傳送相關讀數資料。能源採集電路的成本同樣地，利用能源採集技術的無線網路能夠連接建築物中所有的感測器，從而讓建築物在無人值守的情況下，透過切斷非必要區域的供電來降低暖氣、通風和空調系統(HVAC)以及照明的成本。此外，能源採集電路的成本常常低於電源線路的執行成本；採用收集電力的技術顯然更具有經濟效益。能源採集技術的發展-

8、無線網路開關業界有不少公司都試圖推出可控制簡易電氣裝置(例如電燈開關)的無線網路，不過大多數都需要在開關上安裝電池；而這些電池驅動的電燈開關裝置一旦不動了，無法確定是燈泡壞了還是電池沒了。能量收集技術最熱門的應用之一，是以無線方式取代電燈開關，而且不需要電池。能源採集技術的發展- 無線網路開關此乃利用按開關動作來收集能量的方法，解決了以上的問題。當使用者按下無線開關按鈕，就會發出一個啟動的訊號，放開按鈕則會送出一個終止的訊號，讓網路的路由器透過量測使用者按下與放開按鈕的時間間隔，來進行調光。能源採集技術的發展- 無線網路開關例如在西班牙有一棟57樓層高的大樓，即使用了4,200個無線開關來控制

9、4,500盞電燈；如此一來在需要移動大樓內部的牆面時，就不必重新佈建電燈開關線路。能源採集技術的發展- 無線網路開關該棟大樓的建築師是採用無線開關，能將按下開關按鈕的動作轉化為RF訊號來打開電燈。大樓內所有的電燈連結成一個網路，能提供電源和控制電燈開關的訊號。網路內的無線接收器會接收無線開關傳來的編碼訊號，然後把訊號遙控傳輸到正確的電燈。典型的能源採集配置或系統典型的能源採集配置或系統(見下圖)通常包括一個免費的能源，例如連接於某個機制振動來源(如空調系統管路或窗玻璃)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為電能，隨後再由一個能源採集電路進行轉換，成為一種可為下游電路供電利用的形式。下游電路通常包括某種類型的感測器、類比數位轉換器(ADC)和一個超低功率微控制器。這些元件能夠獲取所採集的能源，並以電流的形式存在，接著啟動一個感測器來取得讀數或測量結果，並透過一個超低功率無線收發器來傳輸這些數據能量採集技術市場規模能量採集技術市場規模目前還很小，到2011年出貨已超過2億套。但市場研究機構Darnell Group預計其每年成長率可達65%， 2012年正處於這個開始迎接成長階段的轉捩點。研究公司IDTechEx發佈能量採集與儲存報告指出，截至2019年全球能量採集市場規模可望超越40億美元。同時隨