如果你正在戶外，想為行動裝置充電，是否有比電池更好的解決方案呢？

隨身攜帶電源，多少還是有些不便。也因此，從環境中隨手提取能源的能源採集技術，正逐漸成為各種應用領域中最被重視的能源方案。

近幾年來，能源採集技術更走出實驗室，逐步邁入商用設計中。儘管短期內，能源採集技術還不會完全替代所有電池應用，但已嶄露頭角，未來肯定會在不同領域大放光明。

能源隨手取得不是夢！

所謂能源採集，是指將隨處可見的資源，如振動、熱量或光能等，轉變成可運用的電能，這也是可自供電式無線感應器的核心技術。廣義上來說，可供採集的能源包括動能（風、波、重力、振動等）；電磁能（光伏和電磁波等）；熱能（太陽熱能、地熱、溫度變化、燃燒等）；原子能（原子核能、放射性衰變等）或生物能（生物燃料、生物質能等）。

圖一 : 　能量採集的優點，就是任何地點都可以獲取能量，例如搭飛機或高鐵，把體溫轉為熱電能，坐越久，獲得能量越多。

能量的採集來源非常多樣化，一般使用壓電、光電或熱電元件，將收集到的能量轉換成電能。從這些來源產生的電能通常以毫瓦（mW）為單位，採集後的電能供應給電子設備，最終將不必再使用電池，許多設備更不需連接到電網就能運作工作，並能持續長時間運作，達到低能耗、環保，以及能為使用者帶來低成本等高效益。

儘管能源採集的概念已出現許多年了，但要在實際的環境中建置一個能源採集系統並不容易，不僅麻煩，系統也複雜且昂貴。目前能源採集可行的應用領域，包括交通運輸基礎設施、無線醫療設備、胎壓檢測等，其中最大的市場是建築物自動化。透過能源採集，建築物的感測器、恆溫器和燈光開關等系統都不必再使用傳統的電源與控制線路，而是以一組機械或能源採集系統來取代。

建築物自動化是最大應用

能源採集技術之所以會出現，主要就是今日的電路能以微瓦級的平均功率來運作。由於現在的電池技術尚存在使用不方便、供電時間短、成本昂貴，甚至有潛在的危險，如果能透過能量採集技術來提供電力給電池充電、補充或者是替代電池，將是能源產業的一大進展。

用能源採集來供電，甚至可以不再需要用導線來供電或傳送資料，因此能源採集可以直接驅動智慧無線感測網路，讓複雜的供電過程簡單化。未來工業製造過程、太陽能電板和內燃機所產生的能量，都可以收集起來再利用，不必擔心浪費掉了。

圖二 : 　能量採集早就不是個新鮮話題，過去已有雜誌以此為題，在賽車場上，以群眾的呼喊聲，做為賽車的能量來源。

其實，從看似不可能的資源中，收集或擷取能量的技術，已經發展了幾十年的歷史了。例如從可以亮燈的彈跳球、需自行上緊發條的手錶，到美國國防部先進研究計劃署所贊助的計劃，例如透過人體運動為可穿戴式的感測器供電等。能量採集領域永遠充滿令人驚奇的應用。

舉例來說，在建築物自動化系統中，反應感測器、自動調溫器和光控開關等元件，過去在安裝時，通常需要額外安裝電源或控制配線，或者外裝電池，但現在已經不需要了，取而代之的是局部能量採集系統。

採用能量採集技術專用的無線網路，可以將一棟建築物中多數的感測器串連起來，以便在建築物的非主要區域，或者房間無人使用時切斷該區域的電源，進而降低HVAC（電子恆溫空調系統）和照明費用。使用能量採集線路的成本，經常會低於佈建電源線的成本，因此用採集的能量供電，顯然具有一定的經濟收益。

無線感測器是發展重點

根據研究機構IDTechEx指出，隨著多達數百家開發商一致投入能量採集的價值鏈中，陸續投入該領域的資金已超過7億美元。能量採集其實就是透過擷取任何一種環境能源，並將之轉換為電力，來供應給小型獨立設備使用，如衛星、行動電腦，以及感測器網路節點等，讓這些設備能自行供電、自給自足。這是由於透過採集所獲得能量通常也都很小，初期僅適合用於毫瓦等級的設備使用。

其實能量採集的應用範圍相當廣泛，從汽車到智慧電網都包含在內。目前更逐步跨入消費性電子領域。2011年，粗估就有160萬個能量採集裝置被應用在無線感測器中，總計這些採集器的花費大約為1,375萬美元。

環境能源採集的實例，包括與發熱源（如窗戶玻璃）相連的溫差發生器與溫差電堆，或者連接到玻璃等機械振動源的壓電換能器等。在熱源情況下，轉換器可以將小溫差轉換成電能；而機械振動或壓力轉換的壓電元件，則可以透過機械振動或者應力轉換電能。

近年來，能源採集裝置的發展重點之一，是為無線感測器來供電。為無線感測器供電的能源採集裝置已經上市，反倒是無線感測器的採用速度，卻跟不上腳步。目前，無線感測器領域充斥著許多不同的無線標準，這是導致能源採集難以快速普及的主因。

熱電與壓電技術接續登場

能量採集後，其電源所能提供的能量，取決於該電源能運作多久的時間。因此，能量採集的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。

圖三 : 　儘管還不可能，然而若未來能源都能以採集方式獲得，我們的地球環境肯定會如同圖片一般美好。

目前，大部分採用能量採集裝置是太陽能電池應用，其次是電動力計，這是兩種相對較成熟的能量採集技術。然而，許多新技術也正相繼邁入市場，包括可從熱能中產生動力的熱電技術在內。目前，包括美國能源署等機構，正在和BMW和GM等車廠合作，將引擎排放出的廢熱，轉換為汽車電子系統的能量。

美國太空總署NASA也使用這種熱電技術，來為火星探測車提供動力，因為火星探測車不像地球上的太陽能電池，可以隨時擷取熱能，它必須在沒有光的地方工作。另外，具備小尺寸和高效率特性的壓電能量採集也逐漸擄獲相關產業的目光。包括太陽能、風力、熱電與壓電等四種能量採集技術，在2011年擁有差不多的市佔率。不過短期內，太陽能仍將持續主導消費應用領域。

2021年規模可達44億美元

目前在能源採集市場上，已經有了許多有趣的應用實例。例如，傳統的電池在低溫下可能會失效，因此目前已經有專門針對此種情況提供能量採集功能的方案問世。而在取代傳統電網方面，更有廠商開發出一種在人行道上，當行人踩過時可產生能量的鋪路磚，其所產生的能源，可以用於路燈或照明的補充電源。

此外，以色列一家名為Innowattech的公司就率先使用了安裝在馬路和鐵軌下方的壓電墊片來收集能量。由以色列鐵路公司安裝的一款產品原型，已經在每小時開過10至20趟、掛載10輛車身的火車鐵軌上，收集到了120kWh的能量。這些採集出來的能量可為鐵路號誌燈供電，或上傳到智慧電網使用。

雖然從馬路上擷取能量發電極具前途，但對能量採集來說，最大的機會還是上述的無線感測器網路應用。免維修的無線網路正在改變這個世界，例如監控並管理遠端環境、追蹤蔬果在長距離運輸過程中的新鮮程度，或管理一幢建築物的空調系統等。由於無線感測網路能使這些工作變得更有效率，因此可以節省好幾個數量級的間接能量使用。

另一家廠商BigBelly Solar則是開發了一套BigBelly Solar智慧垃圾收集系統。這套系統已經銷往全球30多個國家，其核心是一部以太陽能供電的垃圾壓縮機，當裝滿垃圾時，它能透過文字簡訊通知垃圾清運工人，提高垃圾車清運遠程垃圾箱時的效率，減少不必要的行程，來減少燃料的使用，更為環保。

由於無線感測網路可能為能量採集市場帶來爆發性成長，波士頓市調公司IDTechEx也預測，2011年該市場的零組件銷售規模將達6.63億美元，並且未來5年內以雙倍成長，到2021年再成長4倍。

結語

其實能源採集，除了採集之外，後續的能源儲存、介面裝置和低功耗電子裝置的配合，缺一不可。目前並沒有任何一種能源採集技術可以適用於所有領域，不過，這個產業不斷開發出新技術，將能為業者開啟更大商機。

這些商機，預計能在未來10年內刺激能源採集市場大幅成長，預估到了2021年，市場規模可達44億美元。這其中包括2.5億個由能源採集裝置供給能源的感測器。屆時，將有更多消費性電子裝置，包括筆記型電腦、平板裝置和手機等採用。