2010/06/05
經濟部能源局
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▓撰文：吳國光、張育誠、焦鴻文
一般而言，能源的型態一旦被轉化為振動的型式時，就會變得非常難以利用，亦即利用率或轉化率相當低。其實振動的能量是相當龐大的，有研究估計，東京高速公路的總振動可產生至少4GW的電力，大約等於東京23個行政區住宅40％的電力需求。然而隨著時代的演進，用來轉化振動能為電能的能源採集技術，在種類、效率、發電及其他特性上已有顯著進步，並逐步朝向商業用途的水準。廣義來說，振動能源採集技術主要有：壓電效應（Piezoelectric Effect）、磁場感應（Magnetic Induction）、靜電容的改變、將振動轉化成渦輪旋轉能源及熱-聲發電技術等5種。
馬路變發電廠
過去馬路只是運輸用管道，如今在科技的推波助瀾下，將搖身一變成為行動發電廠。壓電材料具有位移產生電壓的特性，可將振動能與電能互相轉換。此外，振動能源的品質取決於頻率和振幅，這意味著發電量取決於裝置容量與模組大小。以色列海法理工學院的科學家在柏油路內埋設微型壓電晶體，利用車子的重量和移動速度所造成的振動轉換成電力，估計1公里長的馬路每小時產生的電力可達500kW，足供800戶家庭使用。
然而目前功能好的壓電材料大多含鉛，對人體健康造成風險，且經常需要2種以上材料混合，製作不便，目前國內交通大學教授朱英豪的研究團隊已開發出鐵酸鉍壓電材料，其特色為單一材質不含鉛，效率也比現有材料高，可望取代含鉛的壓電材料。此項技術同樣可以應用在鐵路、機場或是人潮洶湧的人行道上，利用重力踩踏壓電晶體來產生電力，類似於夜店內的可發電舞池，或是將壓電材料安置在堤岸邊，藉由海浪衝擊壓電材料來產生電力。
日本Soundpower公司所開發出之發電地板，主要由直徑小於3公分之壓電元件組成陣列模組，上覆一層振動薄板，60公斤的人步行於1,800平方公分的發電地板上，平均能產生0.3W的電力，該公司並於涉谷火車站的人行道上鋪設4塊發電地板進行實際試驗，結果顯示，平均每個人從2,025平方公分的發電地板上走過2次，就可以產生約0.5W的電能。
JR東日本公司於2007年在東京車站小規模試驗發電地板，通過吸收乘客走動時產生的振動來發電。根據JR東日本公司的說法，預計每天將能夠回收1,400kW的電力，將來若能大規模設置，可進一步供應驗票匣門及顯示器所需的電力。
然而前述技術仍有應用上的困難點，例如要如何克服雨水酸蝕以及要埋多深才能發揮最大效益等，但是科學家相信這些技術性問題不難解決；此外，發電成本可望降低至太陽能發電的一半甚至更低，前景十分看好。
人體發電廠
美國喬治亞理工學院教授王中林與其研究小組利用壓電材料進行「發電衣」的開發，亦即在衣服縫製上加入壓電線材，則人在走路時所造成之衣服變形就能產生電力，目標是將此電力提升至可對行動電子裝置的電池充電。他們採用的壓電材料是氧化鋅（ZnO），該研究團隊表示，如果將奈米級氧化鋅線材揉製在一起，理論上應該能夠產生每立方公分4W的電力。在實務上，氧化鋅線材的長度很難搭配，因此當它們揉在一起時接觸面積有限，阻礙了以往這類設計的發電效能；但該研究團隊利用新開發較大型氧化鋅線材製作的元件，已能達成50mW的電力產出及6.8％的能源轉換效率。
日本電報電話公司（NTT）能源與環境系統實驗室已經研發出一組「發電鞋」，這是目前發電量最高的步行發電機。他們在鞋內裝置一組微型渦輪機，利用步行時鞋內液體的流動使微型渦輪機旋轉發電，目前的設計平均發電量可達1.2W，最大則可達2.5W的電力，此一電力已經足以驅動一支行動電話。目前該「發電鞋」的問題在於鞋內液體晃動時，腳部會有奇怪的感覺，以及結構強度仍然不夠，以致於在跑步時特別容易損壞。另外步行發電的方式也可以直接在鞋底裝置壓電材料，但壓電材料的發電量和裝置面積有關，2平方公分的裝置面積最多大約只能產生數十微瓦（μW）的電量，仍然偏低，有待持續努力。此外，M2E Power公司則是利用磁場感應的方式，將人體行走時所產生的振動轉換成電能，可做為手表、手機等攜帶式電子產品的電源。
熱-聲發電技術
熱-聲發電技術是先將熱轉換成聲音，然後再將聲音的振動轉換成電力，其主要採用的技術有兩種，其一為利用壓電元件，另一種方式則是利用磁場感應發電。
美國猶他大學Orest Symko教授的研究團隊所開發出的「熱-聲發電管」，主要是利用加熱來使發電管內產生聲音駐波（Standing Waves），之後利用壓電元件，將熱能產生的聲響轉換成電能；而FRG公司所開發的發電管，則是提高管內的內部壓力，並引入低能源振動來觸發行波（Traveling Waves）的產生，此一行波會使共振線圈薄膜產生振動，造成磁場變化而產生電能，其所開發出之大型原型發電機（高度超過1公尺），可以產生高達75kW的電力。該公司表示，從理論上來說，因為大多數的聲響不會從裝置內逸散至外界，故可有效率的轉換成電能，一旦量產，每瓦電力的成本可降低至0.10～0.25美元之間。目前該項技術還在初步發展階段，但前景似乎相當光明。
結語
振動能源無所不在，且能源總量驚人，但目前的難題在於轉換效率太低，若未來能將振動能源有效的予以利用，則可為日常生活帶來極大便利。（作者任職於工研院能環所工業節能技術組熱能應用與能源分析研究室）