振動發電:哪都能發電,將成IoT王牌

作者:寺井 伸太郎   |   2015 / 11 / 30

文章來源:日經技術   |   圖片來源:日經技術


“IoT(物聯網)”存在一大弱點,那就是電源。

雖說可在世界上所有場所設置感測器,經由網路收集資訊,但如果沒有電力啟動機器,一切都是紙上談兵。為所有感測器接上電線並不現實,為其內置電池則會導致成本上升。

有望解決這一問題的技術是“振動發電”。這項技術可將汽車及鐵路列車行駛時發生的縱向晃動、空調設備的馬達的定期振動等轉換成能量。在日本振動發電等業界團體事務局工作、同時也是恩梯梯數據經營研究所高級經理的竹內敬治指出,“除了一般印象中的振動之外,還有利用人的按壓或踩踏力的方法”。

以前這種技術的發電效率很低,但現在已經通過“寬頻化”等改進措施打破了這一瓶頸。可將多種類型的晃動有效地轉換成電力。如果這種技術普及,“小型發電廠”將在世界各地出現,對IoT起到支撐作用的能量將會實現自給自足。

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這一點在一個意想不到的地方就能體現出來。那就是家裡的廁所。

東陶(TOTO)2015年2月推出了最新款馬桶。該馬桶在牆上安裝了遙控器,上面排列著大家熟悉的操作按鈕,外觀極為普通。試著按下“沖水”按鈕,便可遠端操作馬桶沖水。不過,據東陶的相關負責人介紹,該遙控器並未連接電源,也沒有內置電池。那為什麼能夠操作馬桶沖水呢?

這就是振動發電技術的成果。其工作原理是,用手指按下開關後,這種按壓力會在遙控器內部傳遞,並驅動遙控器內置的發電裝置—磁鐵旋轉,使其與線圈之間產生“電磁感應”,這樣就產生了電能。遙控器利用這些電發出電波信號,便實現了馬桶沖水。

東陶電子技術本部電子設備開發部主管山中章己說道,“包括開關的按壓感覺等在內,我們花了約3年的時間進行研發。不僅降低了發送電波時的耗電量,而且提高了發電能力,最終實現了實用化”。東陶將該機構命名為“環保遙控器”。除了馬桶遙控器之外,還可以應用於其他遙控器。

不需要電池和佈線,還能實現感測器的小型化

東陶的馬桶可以體現出振動發電的三個優點。第一個是不需要電池。由於可省去定期更換電池的麻煩,因此可為偏遠地區的水壩及橋樑等輕鬆設置感測器。

如果在社會的各個角落設置感測器之後還需要更換電池,就會導致管理工作大幅增加。而如果能夠利用振動發電技術為感測器供電,設置好感測器之後,就能“半永久性”地持續發送資訊了。

既然不需要電池等電源,也就不需要佈線施工了。這是振動發電的第二個優點。在多種生產設備及配管交錯的工廠及發電廠,無需追加佈線施工便可設置感測器。

振動發電的第三個優點是,由於省去了電池和佈線,感測器本身可以做得更小。東陶的馬桶配備的振動發電裝置就很小,收納在遙控器部分的一角。如果零件數量減少,便可以相應地降低零件發生故障的風險。

東陶採用的是三美電機生產的振動發電裝置。據介紹,這種振動發電裝置具備按壓250萬次也不會壞的耐用性。三美正在推進該裝置的薄型化,目標是將其應用於照明燈及房門的開關等用途。

將平時浪費掉的微弱能量收集起來轉換成電力的構想被稱作“能量採集”,也叫環保發電。能量源有光、熱及電波等多種類型,目前正大步邁向實用化的是振動發電。

恩梯梯數據經營研究所的竹內表示,“以前大多數振動發電裝置只能在特定頻率(每秒的振動次數)下發電,很難在現場應用”。

即便是同一座橋樑,振動方式也會因位置不同而存在細微差別。橋墩的上部和下部、橋架大樑的中央和頂端會發生不同類型的振動。為橋樑等設置振動發電裝置時,必須仔細查明情況並進行“調諧”,以便使發電裝置能在各位置的不同頻率下發揮作用。這樣做不僅需要花費時間和人力,而且,一旦晃動方式發生變化,就不能發電了,在可靠性方面存在問題。

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竹內介紹說,能應對多種晃動的寬頻化技術可解決這一問題。如上圖所示,以前的振動發電只能利用預先設定好的特定的“快速晃動”或“大幅晃動”等。如果採用寬頻化技術,就能應對多種變化。

在“寬頻化”技術方面走在前列的企業是竹中工務店和松下。兩公司正在大力開發通過為原來的振動發電裝置組合其他設備來收集更多振動能量的技術。

通過“雙層結構”使發電量增至45

竹中工務店利用面向建築物開發的減振裝置,開發出了“振動放大器”。減振裝置由砝碼和彈簧組成。其作用是,在建築物因地震而發生搖晃時,通過讓砝碼大幅振動來抵銷能量,從而減小建築物的晃動。如果反向運用這種原理,就能使振動增大。

竹中工務店設計出了在放大器上重疊設置振動發電裝置的“雙層結構”。兩個設備分別會固有晃動作出反應,組合在一起之後,可將更多種類的晃動轉換成能量。據介紹,裝上振動放大器之後,與只使用振動發電裝置時相比,發電量增加到了約45倍,支援的頻帶也擴大到了4倍。

松下大力開發的技術是被稱作壓電效應的振動發電方式。砝碼因振動而發生晃動時,會給發電裝置內的壓電體(陶瓷)施力,從而產生電壓。松下正在開發組合使用汽車減振橡膠(晃動頻率與裝置不同)的新型振動發電裝置。目標是2~3年後達到實用水準。

振動發電技術普及所面臨的課題是設備的耐久性。就算不需要更換電池,如果會被振壞的話就失去其意義了。松下汽車與工業系統公司首席工程師勝村英則指出,要把振動發電應用於商業用途,“必須證實發電裝置可連續工作5~10年”。

於是,松下和竹中工務店開始與日本新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)等合作,在德國大型化學企業巴斯夫(BASF)設在日本神奈川縣內的工廠等進行實證實驗。在泵房及機房等安裝了振動發電機,調查實際的發電情況。這項驗證將持續到2016年中期,將通過驗證試驗找出在工廠大規模引進振動發電技術時存在的課題。

伴隨IoT的發展,預計感測器的市場規模將會不斷擴大。日本富士CHIMERA綜研預測稱,2019年度感測器的全球市場規模將比2014年度增加兩成以上,達到55576億日元。振動發電市場必然會隨之增長。雖然歐美企業積極致力於技術標準化,但在感測器技術和寬頻化技術方面,日本企業領先一步。這些技術真實地體現出了“積少成多”的含義。(文/寺井 伸太郎,《日經商務週刊》)

日經技術》授權轉載

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