未来无线物联网设备可望去电池化

29 4月 2017

        日本研发出一种微型振动发电设备,尺寸约1日圆硬币大小,能透过静电诱导原理达到发电目的,预计将于2018年进行实测,2020年量产化。发电量可达10mW的次世代技术也正开发中,设定2020年内实用化的目标。未来可望应用至无线物联网设备上,让设备去电池化。       

        无线物联网设备常有电量需求问题,日本共同研发微型振动发电设备,寻求改善。   

        该设备为仅有数厘米大的梳齿状构造体回路设备,采用驻极体(electret)制作而成。驻极体如同永久磁铁带有磁场一般,是一种经永久分极后保有电荷的材料,能透过静电诱导原理达到发电目的。   

        0.4g的重量设备以500Hz频率、均方根(Root Mean Square;RMS)加速度0.996G进行振动后,确认其能产出1.01毫瓦均方根 (mWrms)的电力。   

        在实验中,两个梳齿构造体对向排列,透过振动的方式产生库仑力变化,让各构造体内的电子发生移动(即产生电流)。虽然过去也有使用相同原理的研发,但仅能得到数十μW的电力,难以取代无线物联网设备的电池。   

        若能达到1mW电量,意即工厂内马达等回转设备所产生的振动、高架道路的振动等皆能成为能源获取来源。且1mW的电力也代表可以让无线电波传递达30公尺远,用在IoT设备,可望达到去电池化的目的。

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        另外,目前也正在研究10mW以上的发电可能性。驻极体永久分极后以电解液使其形成双电层,电荷能在比电极间距更短的距离下相互吸引,因此电极移动所得到的电量也将更大。   

        现阶段,振动发电有三种方式。分别为使用压电材料、使用电磁诱导、以及两者并行。然这些方法皆存在发电量不足,以及对于振动度迟钝的问题。因此该产学团队分别引进可提升静电导电技术发电效率的两项技术。   

        一是,运用钾离子(k+),提高驻极体表面的电荷密度。将氢氧化钾(KOH)加温至摄氏数百度汽化后,接触梳齿状构造的晶圆体,再施以数百伏特的电压,使构造体分极化。在晶圆体冷却后,便保有高密度分极状态。   

        另一个方式是,极小化构造体与缝隙的技术。采用MEMS,将单一面积内的梳齿构造数量极大化,提升构造体动作时所产生的库仑力总变化量。在试作过程中,其中一个设备,就让1,283对梳齿构造体出现数μW的差距。   

        为能在实际环境中取得更大发电量,如何将各种频率的振动转换成电力,也是需要克服的技术课题。一般而言,MEMS所形成的构造体具有固定的共振频率,共振频率以外的振动所能产生的电力并不大。因此在实际操作时,往往无法取得大发电量。若能将Q值降低,就能减少发电效率随振动频率而变动的情况。具体而言,在制造阶段时,就在驻极体内蓄积电荷,提高施加电压后,就能降低Q值。   

        驻极体虽一般给人不耐热的印象,但透过实验可发现,在摄氏65度下的环境至少需8年,室温下甚至需400年以上,材料静电力才会降低1dB(功率单位)。

(来源:互联网)

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