Most powerful millimeter-scale energy harvester generates electricity from vibrations
http://www.physorg.com/news/2011-04-powerful-millimeter-scale-energy-harvester-electricity.html
April 26, 2011
(PhysOrg.com) -- Michigan 大學電機工程師打造出一種裝置，能從振動收成能量並將之轉換成電力，其效率與電力比其他同等級裝置大五到十倍。而它的尺寸比一便士硬幣還小。
"在一個微小空間中，我們已能夠製造出一種裝置，那從輸入中所產生的電力比市面上任何東西多，" Khalil Najafi 說，這套系統的開發者之一，以及電機與電腦工程系系主任。
這款新型振動能量收成器（vibration energy harvester）是一種特別設計過的裝置，用來將工廠機器的循環運動轉換成能量，為無線感應器網路供電。這些感應器網路監測機器效能的同時讓操作者知道任何與故障有關的事。
今日完成這些事情的感應器，其電力來自於插座或電池。它們不需要導線就能傳輸資訊，故被視為「無線」。因受限於電源，故大幅增加其安裝與維護成本，Erkan Aktakka 表示，該系統研發者之一，也是電機與電腦工程系博士生。
研究者表示，持久性電力為大規模使用遍佈式（pervasive）資訊收集感應器網路的最大障礙。
"如果你關注一個持續不斷運作的無線感應器的生命週期經驗，總成本竟有高達八成是由電力線的安裝與維護以及壽命有限之電池的持續監控、檢測與更換組成，" Aktakka 表示。"採集（Scavenging）存在於環境中的能量是一種有效的解決方案。"
研究者已建立一套完整的系統，那將高品質能量收成微壓電（piezoelectric）材料以及使電力可被利用的電路整合在一起。當微電壓材料在回應機械應變時（mechanical strain，在此例中，機械應變由機器的振動所引起），能使電荷在其中累積。
"週遭有許多能源圍繞著我們。閃電有許多電流與電力，但那並不實用，" Najafi 說。"為了要使用你收成的能量，你得將之貯存在電容或電池中。我們已開發出一套整合系統，具有一個不需要著手充電的超級電容器。"
收成器的活動部份讓能量轉換只佔 27 立方公釐。已封裝的系統，那包含電力管理電路，不到一便士大。該系統有 14 Hz 的大頻寬，並在 155 Hz 的振動頻率下運作，類似你將手放在一台運作中的微波爐上所感受到的振動。
"絕大多數先前的振動收成器，不是在非常高的頻率下運作，就是頻寬很窄，而這限制它們在實驗室環境外的實際應用，" Aktakka 表示。
當這款新收成器暴露在 1.5g 的振幅下，能產生超過 200 微瓦的電力。（1g 是重力加速度，所有物體因地球的重力而感受之。）所收成的能量經由一個 IC 處理，將一個超級電容充電到 1.85 伏特。
理論上，這些裝置能留在定點達 10 年、20 年而不需要定期維護。"它們的保存時間無限，因為它們不需要事先充電好的電池或外部電源，" Aktakka 表示。
一種新奇的矽微機械技術，讓工程師能以高品質的微電壓材料大量製造收成器，不同於其他運算裝置。
在業界環境設施中，無線感應器網路之電源市場預計在 2015 年會達到 4.5 億美元，Aktakka。
這些新裝置可能在醫療與自動化工業中也有其應用。它們能用來提供電力給人體醫療植入物或車輛馬達上的熱感應器，Najafi 說。
研究者六月將在北京舉行的第十六屆 International Conference on Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems (TRANSDUCERS 2011) 上簡報這項研究。
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