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免插電或電池,「振動發電」當紅! 一指力道 解決物聯網缺電

2015-12-07  TCW

讓物體連網,透過慼測器監控的物聯網生活,有致命缺點:慼測器發電來源,靠電池或配電線,耗成本且不便,現在,這一切正因「振動發電」而有所突破。

各產業競相投入的物聯網,有一個致命缺點,就是電源。

即使打算在全球各地設置感測器,透過網路蒐集資訊,但如果沒有電力驅動相關機械裝置,這項計畫不過是紙上談兵。因為不可能讓所有感測器都拉電線連接電源,內建電池成本也相當可觀。

要解決這個問題,或許可把希望寄託於「振動發電」技術。這是將汽車或火車通行時產生的縱向振動,或冷氣機馬達的定期振動等,轉換成能源的技術。身兼振動發電等業界團體事務局的NTT資料經營研究所資深經理竹內敬治指出:「振動發電除了一般想像中的振動外,也可利用人類推、踩的力道。」

過去這種技術的發電效率極差,但振動幅度「寬頻化」等技術進展,已經突破了原有瓶頸。現在的技術已經可以把各式各樣的振動有效轉換成電能。只要技術普及,全球各地就會出現許多「小型電廠」,足以支撐物聯網所需能源。

免治馬桶升級沒接電也能遙控沖水

令人意外的是,一般家庭的馬桶也應用了振動發電原理。

全球最大衛浴設備製造商東陶(Toto)於今年二月推出最新型馬桶,牆上安裝的搖控器上,有一排看來很熟悉的操作按鍵,就和一般免治馬桶設備一樣,按下「沖水」按鍵就可以搖控沖水。不過,Toto負責人卻說,這個搖控器沒有插電,也未內建電池。那麼到底為什麼可以沖水?

這就是振動發電的功勞。只要用手按下按鍵,手指的力道就會傳到搖控器內部,讓搖控器內建的發電裝置磁鐵轉動,和線圈之間產生「電磁感應」,因而產生電能。Toto就利用這個電能,讓搖控器傳送電波信號,搖控馬桶沖水。

Toto電子技術本部電子機器開發部組長山中章己表示:「包含開關的按壓觸感在內,這項產品總共花了三年時間研究。在減少傳送電波時消耗的電力,同時提高發電能力後,終於成功實用化。」Toto把這項裝置命 名為「環保搖控器」。這項技術不只可應用在馬桶上,還可延伸用在各種搖控器上。

三優勢助功方便監控偏僻水壩、橋樑

由Toto馬桶的案例,可分析出振動發電的三大優點。第一就是不需要電池。因為不用定期換電池,即使是地處偏僻的水壩或橋樑等,也可以安裝慼測器。

如果安裝在社會各角落的感測器需要換電池,就會大幅提高管理難度;相對的,利用振動發電供電到感測器,安裝好後就能「半永久性」的持續傳送資訊。

既然不用電池,也就不用配線接電,可省下配電工程,這正是振動發電的第二項優點。就算是在有多種製造設備與管線的工廠,也不需要增加配線工程,即可安裝感測器。

第三項優點則是省略電池和配線後,感測器得以小型化。

事實上即使是Toto的馬桶,振動發電裝置也只占了搖控器的一個小角落而已,而且零件數量越少,故障風險就越低。

Toto採用的量二美電機的振動發電裝置,三美電機宣稱此裝置持久耐用,按壓二百五十萬次也不會壞。該公司也致力於讓裝置更加輕薄,將來希望運用在照明與門的開關等。

獲取未被活用、反而被埋沒的微弱能量,轉換成電力,這構想被稱為「能量蒐集」(EnergyHarvesting)能量可以來自光、熱、電波等各種源頭,目前即將實用化的就是振動發電。

松下當先行者研發因應各種振動的發電

竹內敬治說:「過去很多裝置只能在特定頻率(每秒振動次數)發電,所以很難將振動發電應用在實際的現場。」

因為即使是同一座橋樑,振動方武也會因位置而略有差異。如果要把振動發電裝置安裝在橋樑,就必須先詳細調查,並依位置調校頻率,以讓振動裝置發揮作用。這種做法不但曠日費時,而且一旦振動方式不如預期,就無法發電,並不可靠。

竹內敬治表示,要解決這個問題,得靠「可因應各種振動的寬頻技術」。傳統振動發電裝置只能因應事前設定好的「快速振動」、「大幅振動」等力道來發電,而寬頻技術可以因應各種「變化球」進行發電。

這種寬頻技術的先行者,就是松下(Panasonic)。該公司目前正致力於開發稱為「壓電效果」的振動發電方武,利用振動對發電裝置內的陶瓷施力,產生電壓,預計兩到三年後可進入實用階段。

這項技術的普及關鍵,在於機器的耐用性。就算不用換電池,如果機器因為常振動而損壞,就沒有任何意義。松下汽車電子與機電系統公司主任技師勝村英則指出,振動發電要商業化,「必須確認發電裝置可以持續稼動五至十年。」

因此松下和新能源及產業技術總合開發機構(NEDO)等合作,在德國化學大廠BASF位於神奈川縣內的工廠等地進行實證實驗。在幫浦或伺服器機房等處安裝振動發電機,實際調查發電狀況。這項驗證預計進行到二〇二八年中,以發掘工廠要大規模導入振動發電裝置時會遇到的課題。

因為物聯網的發達,慼測器市場規模也擴大,日本富士凱美萊總研(FCR)調查顯示,到了二〇一九年度,全球感測器市場規模將比二〇一四年度成長超過兩成,預計可達五兆五千五百七十六億日圓(約合新台幣一兆五千億元),連帶的,振動發電市場也可望確實成長。

歐美雖然積極朝著制定技術標準努力,不過目前日本的感測器技術和寬頻技術,還是領先歐美。這項將理論化為實際的技術,就是「積少成多」的成果。

(Nikkei Business (c)2015 NikkeiBusiness Publications,Inc.)

譯.李貞慧 審稿.張務華博士


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