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未來無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可望去電池化

這種微型振動發(fā)電設(shè)備可望應(yīng)用至無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上,讓設(shè)備去電池化。
  日本產(chǎn)學(xué)研共同研發(fā)出一種微型振動發(fā)電設(shè)備,尺寸約1日圓硬幣大小,能透過靜電誘導(dǎo)原理達到發(fā)電目的,預(yù)計將于2018年進行實測,2020年量產(chǎn)化。發(fā)電量可達10mW的次世代技術(shù)也正開發(fā)中,設(shè)定2020年內(nèi)實用化的目標(biāo)。未來可望應(yīng)用至無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上,讓設(shè)備去電池化。

 
微型振動發(fā)電設(shè)備
 

  無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備常有電量需求問題,日本大學(xué)共同研發(fā)微型振動發(fā)電設(shè)備,尋求改善。

  該設(shè)備為僅有數(shù)厘米大的梳齒狀構(gòu)造體回路設(shè)備,采用駐極體(electret)制作而成。駐極體如同永久磁鐵帶有磁場一般,是一種經(jīng)永久分極后保有電荷的材料,能透過靜電誘導(dǎo)原理達到發(fā)電目的。

  0.4g的重量設(shè)備以500Hz頻率、均方根(Root Mean Square;RMS)加速度0.996G進行振動后,確認其能產(chǎn)出1.01毫瓦均方根 (mWrms)的電力。

  在實驗中,兩個梳齒構(gòu)造體對向排列,透過振動的方式產(chǎn)生庫侖力變化,讓各構(gòu)造體內(nèi)的電子發(fā)生移動(即產(chǎn)生電流)。雖然過去也有使用相同原理的研發(fā),但僅能得到數(shù)十μW的電力,難以取代無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池。

  若能達到1mW電量,意即工廠內(nèi)馬達等回轉(zhuǎn)設(shè)備所產(chǎn)生的振動、高架道路的振動等皆能成為能源獲取來源。且1mW的電力也代表可以讓無線電波傳遞達30公尺遠,用在IoT設(shè)備,可望達到去電池化的目的。

  另外,目前也正在研究10mW以上的發(fā)電可能性。駐極體永久分極后以電解液使其形成雙電層,電荷能在比電極間距更短的距離下相互吸引,因此電極移動所得到的電量也將更大。

  現(xiàn)階段,振動發(fā)電有三種方式。分別為使用壓電材料、使用電磁誘導(dǎo)、以及兩者并行。然這些方法皆存在發(fā)電量不足,以及對于振動度遲鈍的問題。因此該產(chǎn)學(xué)團隊分別引進可提升靜電導(dǎo)電技術(shù)發(fā)電效率的兩項技術(shù)。

  一是,運用鉀離子(k+),提高駐極體表面的電荷密度。將氫氧化鉀(KOH)加溫至攝氏數(shù)百度汽化后,接觸梳齒狀構(gòu)造的晶圓體,再施以數(shù)百伏特的電壓,使構(gòu)造體分極化。在晶圓體冷卻后,便保有高密度分極狀態(tài)。

  另一個方式是,極小化構(gòu)造體與縫隙的技術(shù)。采用MEMS,將單一面積內(nèi)的梳齒構(gòu)造數(shù)量極大化,提升構(gòu)造體動作時所產(chǎn)生的庫侖力總變化量。在試作過程中,其中一個設(shè)備,就讓1,283對梳齒構(gòu)造體出現(xiàn)數(shù)μW的差距。

  為能在實際環(huán)境中取得更大發(fā)電量,如何將各種頻率的振動轉(zhuǎn)換成電力,也是需要克服的技術(shù)課題。一般而言,MEMS所形成的構(gòu)造體具有固定的共振頻率,共振頻率以外的振動所能產(chǎn)生的電力并不大。因此在實際操作時,往往無法取得大發(fā)電量。若能將Q值降低,就能減少發(fā)電效率隨振動頻率而變動的情況。具體而言,在制造階段時,就在駐極體內(nèi)蓄積電荷,提高施加電壓后,就能降低Q值。

  駐極體雖一般給人不耐熱的印象,但透過實驗可發(fā)現(xiàn),在攝氏65度下的環(huán)境至少需8年,室溫下甚至需400年以上,材料靜電力才會降低1dB(功率單位)。

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