TWM432150U - Soft piezoelectric power generating device - Google Patents

Description

五、新型說明： 【新型所屬之技術領域】 本創作係有關於-種發電裝置，特種軟式壓電發電 裝置。 【先前技術】 隨著地球人口的增加’人類對於能源的需求也隨之節節高 升。現今的麟供給主要絲自於非再生麟，如石油、煤炭、 天然氣等，但在地球上這些能源蘊藏量有限，終究會有使用完 的一天，由石油的價格水漲船高便可略知一二。除此之外，這 』非再生知源在使用上還有排放二氧化碳汗染環境的問題。這 些都凸顯了開發新能源的重要性及急迫性。其中有關再生能源 的研究，因其取自大自然直接利用且幾乎無窮無盡的特性，被 視為能源問題的解答。 常見的再生能源包括以下幾種：太陽能、風力、水力、潮 /夕、海流以及地熱等。其中太陽能無疑是目前台灣相當熱門的 議題，各大廠商紛紛投入相關的研究，但其發電的轉換效率不 佳造成發電成本相當高，目前實際運用的太陽能板每瓦發電的 成本為875美金，相較於其它的發電類型，成本高出了許多。 另外太陽能對於安置環境的限制很高’只能在有陽光的地方使 用’天候、晝夜長度、安置角度以及落塵量都會影響其發電的 效率。就現況而言，將一楝大樓貼滿了太陽能板，亦不足以供 應本身用電。而太陽能板製造過程中進行的蝕刻、清洗以及蒸 M432150 鑛等過程亦會產生具有毒性之卫業廢氣與廢水。故太陽能要取 代現今的供電系統，尚有一段差距。 風力發電的原理是利用氣體流動通過風力發電機，帶動内 4的葉片產生電能，每瓦的發電單價為太陽能的1/3〜1/4，風 力發電機沒有日夜的關’亦可三度空間取風。但風力發電機 仍有其缺點’ -具實用的風力發電機需要上億經f的造價，非 大型企業或政府絕無可能負擔1且其對風力強弱的要求很 高’每秒8公尺以下的風無法推動風力發電機，而過強的風又 容易造成風力發電機損壞。台灣夏天非常缺電，但夏天風力不 強，風力發電效率低，且台灣於夏秋兩季又易生跪風，在風力 如此強弱不均的環境下，相當不適合風力發電的發展。 水力發電相較於其他再生能源，發展的時間較久，技術也 相對成熟。水的密度遠大於氣體，故只要少許的流動便能帶動 渦輪產生電能。但若要能實用則必須有數十公尺以上的高低差 將水之位旎轉換成動能，因此能設置的地點非常有限，若要以 人工的方式產生高低差’如三峽大壩，紅程浩大不說，對河 川造成如此大規模的改變，對生態環境之影響更是未定之天。 潮沒與海流亦是水力發電的應用’前者利用潮汐落差，後者利 用洋流來帶動發電機組。但潮汐發電必須選在漲潮、退潮有大 中田差距的海厗才能施行’女置地點選擇不多。海流發電則需要 將渦輪機組設置於外海’技術門檻較高，且會在設置地點產生 額外強大的吸力與推力，可能影響生態環境。 4 M432150 地熱發電乃利用地殼内蘊涵的熱量加熱水後產生蒸氣推 動渦輪發電，其用來發電的能量來源幾乎無窮無盡，但探勘可 利用的地熱區域需要的技術門播極高，發電機組亦需要特別設 計以防止工安事件發生。以目前的科技水準來看，能夠設置機 組的地點仍相當有限。 以上再生能源受限於成本與利用之自然力，往往必須設置 在離城市相當遙遠之處。舉例來說，太陽能發電廠需要廣大腹 地與長時間曰照’設置在沙漠中是最適當的選擇。如此一來， 電能輸送的距離太遠，在輸送過程中的損耗便相當可觀。 因此近年新興一種發電方式，透過使壓電材料產生形變轉 換成電能。此種壓電材料可以轉換各種機械能成為電能，如上 述的水力、風力，更甚者還能回收日常生活中難以利用的廢 忐，如車輛噪音、震動等。目前最常被使用的壓電材料為壓電 陶瓷(錯鈦酸錯’ Lead Zirconate Titanate，PZT)，透過埋設於路 面下方以擠壓的方式產生形變進而產生電能。其壓電係數較 尚，單位形變之產電量較佳，但壓電陶瓷質地硬且脆，形變量 只能達到本身長度的0.1%，且難以依照安置環境決定壓電材 料的形狀，因而使得發電效率不佳。使用上則易碎裂及損壞， 使用奇1命不足。 綜上所述，現今再生能源發電有發電成本過高、設置場地 受限以及耐受環境的能力不佳等問題，距離實用階段尚有一段 距離。針對於此，本創作將提供解決方案。 5 M432150 【新型内容】 本創作提供-種軟式壓電發電裝置。該軟式壓電發電裝置 包括至少-軟式壓電發電_，駐少—軟式㈣發電薄膜相 鄰設置於-固絲板上成-陣列，該至少—軟式壓電發電薄膜 間互相以-導線連結，連接方式可以是並聯、串聯或其組合， 並以該導線與-外部電路連接。其中該至少—軟式壓電發電薄 膜之材料可以是-高分子壓電材料或該高分子壓電材料與一 壓電陶瓷材料之組合。 該軟式發電裝置構造簡單’可以輕易設置在日常生活的任 何環境中’吸收難以_之廢能產生形變，可_微風、水流、 噪音以及震鱗機概進行發電，安置魏祕何特定限制。 且透過4至5 -壓電發電細之高撓曲特性，其形變量可以輕 易超過傳賴電㈣兩健量級以上，不論是發電效率或使用 壽命皆優於以往。 【實施方式】 以下將配合圖示，針對本創作如何解決先前技術之缺陷作 詳細說明。圖1為本創作提供之一軟式壓電發電裝置示意圖， 由圖中可知該軟式壓電發電裝置包括至少一軟式壓電發電薄 膜(100) ’該至少一軟式壓電發電薄膜(1〇〇)相鄰設置於一固定 基板(200)上，成為一陣列形式，且該至少一軟式壓電發電薄 膜(100)間互相以一導線(300)連結，該導線(300)同時連接一外 部電路(500)。 6 M432150 設置於該固定基板(2〇〇)上之該至少一軟式壓電發電薄膜 (100)可以吸收環境中的擾動產生形變，進而轉換成電〜、 以導線(300)輸出至該外部電路(500)以供利用。其中今至丨 軟式壓電發電薄膜(100)間的連結方式可以是並聯、串聯^其 組合，視該外部電路(500)對電壓、電流的需求進行調整。^ t該至少一軟式壓電發電薄膜(100)之材料可以是一高=子壓 電材料或該高分子壓電材料與一壓電陶瓷材料之組合，使得兮 至少一軟式壓電發電薄膜(100)具備可撓曲的特性，可以2易 耐受舊有壓電發電材料兩個數量級以上的形變量，不僅可增加 該軟式壓電發電裝置之使用壽命，更可透過大幅形變提升^電 量，改善發電效率。 該軟式壓電發電裝置之靈魂在於該至少—軟式壓電發電 薄膜(_，其使狀觀、尺权決如及極化辩的條件 控制都會大大影響該軟式壓電發電裝置之發電效率。首先針對 該軟式壓電發電薄膜(100)使用之材料做說明。 舊有的壓電發電裝置多使用該壓電陶瓷作為其壓電發電元件 之材料，其單位形變量產出的電能雖較高，但該>1電陶竟之形 變量僅有其長度的〇.1%，綜合來看發電效率並不理想。因此 本創作提出以該高分子壓電材料作為該至少一軟式壓電發電 薄膜(100)之材料，形變量可輕易超越舊有材料兩個數量級以 上。除此之外，更可在該高分子壓電材料中混入該壓電陶瓷材 料之粉末進一步提升發電效率且維持原來高撓曲的特性。 7 M432150 接著說明本創作對該至少—軟式壓f發電薄膜⑽)形狀及尺 寸之設定。該至少一壓電發電薄膜(1〇〇)可以是任何形狀如矩 形、橢圓形、多邊形等，但不規則的形狀會造成產生壓電效應 時推動自由電子之電場方向混亂而影響到產電結果，因此以下 說明以矩形為例。由於雜賴電發電裝置的設計是要用來吸 收日常生活環境的機械能，該至少一軟式壓電發電薄膜的幾何 外型设计是否符合振動源的頻率便非常重要。 若該至少一軟式壓電發電薄膜(1〇〇)愈薄愈長則越容易擺 動，但如果長度超過25公分(cm)會造成該至少一軟式壓電發 電薄膜(1GG)H1自身重1而下垂，使得來回擺盪的頻率下降， 且會使該至少一軟式壓電發電薄膜(1〇〇)各個部位擺盪的形變 不同，有些部份發出的是正電，有些則是負電。因此本創作於 實驗時將該至少一軟式壓電發電薄膜（1〇〇)長度縮小至 4〜25cm，如此可使其在一次擺動之後能快速往復，且在此尺 度之中，有特定的形變吸收範圍。 為了解尺寸對該至少一軟式壓電發電薄膜(1〇〇)發電量的 尽/響本創作以長度4cm、8cm、12.5cm、17cm以及21cm做 為測5式長度。在不同長度下，其最大功率輸出分別為〇 459微 瓦特W)、4.823 # W、8.897" W、18.432 // W、24.527# W， 可發現尺寸越大的該至少一軟式壓電發電薄膜(1〇〇)有較高的 產電能力，但在超出20cm之後，由於長度太長，造成擺蕩時 會有二次撓曲的現象，機械能無法有效轉化成電能，所以造成 8 M432150 效能下降，而較短的壓電片受力擺盤的頻率雖然較高，但其發 電里較小。所以最佳的寬長比，視其操作環境落在1別jo 之間。而由圖2可知，長度太長或太短皆會造成該至少一軟式 壓電發電薄膜(100)受力後擺動的頻率下降，因此該至少一軟 式壓電發電薄膜(100)長度的最佳範圍是1〇cm〜2〇cm間。 由此可以對照出在不同尺寸之下，該軟式壓電發電裝置所 適用的工作環境，以達到最佳的發電效果。舉例來說，若安置 於火車執道旁，因火車進站時，其產生之壓力較大，宜採用長 度短厚度較大的該至少—軟式壓電發電_(卿，讓其受力 之後能快速往返。如果是在微風巾使用，職用長且薄之該至 少一軟式壓電發電薄膜(100)以增加其發電效能。 最後說明本創作巾該至少—軟式壓電發電_連結之方 式。由於單片該至少-軟式壓電發電薄膜⑽)之產電能力有 限，因此會將其相鄰設置成該陣列型態於該固定基板⑽） 上，再依照使用需求以串聯、並聯或其組合的方式將該至少一 軟式壓電發電薄膜(100)進行連接。以下將說明該至少一軟式 壓電發電薄膜(100)所組成之該陣列運作的情形。 實驗中選用尺寸4cm、8cm以及17cm的該至少一軟式壓 電發電薄膜(100)以3、4或5片為一組進行組合，使用一電木 板夾持，並用一螺絲鎖緊，該電木板夾持的部位為靠近該至少 一軟式屬電發電薄膜(100)底部連接導線(3〇〇)的位置，該至少 一軟式壓電發電薄膜(100)的其餘部份可以自由擺盪。將該至 9 M432150 少一軟式壓電發電薄膜(100)以串聯連接測試電壓增益，以並 聯連接測試電流增益。 增益的算法為：Yn=[(xn/xs . η)] · 100%，其中Yn表示增 益，Χη表示組合數為η時的輸出量，乂3表示單片時的輸出量， η代表組合數。電壓以及電流增益之實驗結果如表1、表2顯 示0 • 表1、長度、組合數與電壓增益之關係

\\^合數 長度^\ 2片 3片 4片 5片 4cm 91% 97% 100.75% 102.65% 8cm 91.5% 100.66% 102.75% 102.2% 17cm 90.5% 104% 105% 104.6% 表2、長度、組合數與電流增益之關係 \\^合數 3片 4片 5片 長度 4cm 103.3% 107.5% 101% 8 cm 102% 102.5% 100.2% 17cm 105% 101.2% 100.2% 在串聯實驗的部份，組合數愈多，電壓增益效果越好。另 外長度17cm組合數5片時，電壓不如預期，後經過多次實驗 發現’串_之後，電壓最高可到33伏特，其受限於本身 材料特性，無法再超過這個電壓值。 在並聯實驗的部份，電流的增加幾乎正比於組合數，故該 至乂軟式壓電發電薄即⑽)最佳敝裝方式，是先將其串 聯成電壓約3G伏特的該_，再將該陣列並聯在—起提高電 流量，以達到實際使用的目標。 除此之外，本創作尚測試了若組合之該至少一軟式壓電發 電薄膜(_)獅方向不同時的狀況，意即該至少一軟式壓電 發電薄膜(_不畔化獅。林畔化的實驗巾選用尺 寸8 cm和17 cm的该至少-軟式壓電發電薄膜_)，以$片 =-組’使用電木板夾持並闕絲鎖緊，電木板夾持的部位為 靠近底部連接該導線(3〇_位置，該至少—軟式壓電發電薄 膜_的其餘部份呈現懸臂樑的形式，讓其可以自由擺盈。 接下來與同步擺動的設^不同，將該至少—軟式壓電發電薄膜 ⑽)的自由端分為2片和3片分別以電木板失持，3片組直接 固疋在振動機上，2片組用-條無彈性醜子綁著，再將繩子 接上滑輪改變震動方向，如此_來振動機制時，正向帶動3 片組之該至少一軟式厘電發電薄膜(100)往前運動，同時也拉 著2片組之該至少一軟式壓電發電薄膜(1〇〇)反向移動產生 不同步化擺動的效果。 在不同步化實驗中’ 8cm組串聯時，最高電壓可以達到 M4J2150 6.475伏特，平均振幅可達3·312伏特，相較同步擺 了 42%。17亂组串聯時，最高賴可以達到Mu伏特二 平均振幅可達15.16伏特，相較同步擺動時減少了伽，由^ 可知，不同步化運動之下會造成電塵下降。但在相同的°條件= 下，電流卻會上升。8em組串聯時，最高電流可以達到〇安 培，其平均電流可達2.564吟培，較同步時增加了 157%。17⑽ 組串聯時’最高電流可以達到7.824μ安培，其平均電流可達 5肠安培，比同步時增加了 m%。由此推得，若該 軟式壓電發膜⑽)進行不畔軸，縣為串聯的效 果’會自動魏並翻效果。因此，若該軟式壓f發電裝置必 須設置在可能會造成不同步化觸之魏下時，㈣在一起的 該至少-軟式壓電發電薄膜⑽)數量可以增加，使其能達到 輸出電壓約為30伏特之該_，再將其並聯提高電流量供實 際應用。 ―本創作為了驗證在現實環境中，該軟式壓電發電裝置的產 電此力如何’將該至少一軟式壓電發電薄膜⑽)置於造波槽 中以铋定的海浪波形使該至少一軟式壓電發電薄膜(100)產 生升少臭實驗中分別將4cm、8cm、17cm之該至少一軟式壓 電發電5片_組串聯，最大的電塵輸出分別為 1·611伏特、u 234伏特、^奶伏特其效果較以振動機實 驗夺低，17cm組電壓輪出約為使用振動機時的82%。 ®電發電是-項新的再生能源技術，本創作提供之該軟式 12 M432150 壓電發電裝置可安置於各種環境下，如車站、大樓之外膽甚至 疋蓮蓬頭、沖水馬桶内以及放置在海中漂浮等，若讓其在海中 漂浮，更可設置一質量塊(400)於該至少一軟式壓電發電薄膜 (100)上，幫助其擺動，增加發電效率》該軟式壓電發電裝置 利用曰常生活中原本已經廢棄的能量，轉換成電能，具備有成 本低廉、構造簡單以及維護容易的優點，若搭配得宜可使生活 上簡單的電子元件自給自足，如安裴在沖水馬桶内，可供給偵 測用之紅外線裝置電源。透過本創作揭露之尺寸、材料以及組 裝方式之選擇，更使得該軟式壓電發電裝置走向實用化，若能 大量設置’將能大幅降低對於傳統電力之依賴，實為解決目前 能源問題之有效方法。 【圖式簡單說明】 圖1為本創作提供之軟式壓電發電裝置示意圖。 圖2為不同長寬之軟式壓電發電薄膜受力後擺動之頻率關係 圖。 【主要元件符號說明】 100軟式壓電發電薄膜 200固定基板 300導線 400質量塊 500外部電路 13

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍： 1♦一種軟式壓電發電裝置，其包括： 至少-軟式壓電發電薄膜’其表面以一熱塑膠封裝該至少一 軟式壓電發電薄膜相鄰設置成-陣列，且該至少一軟式壓電發 電薄膜間並未接觸，其中該至少一軟式壓電發電薄膜間設置一 導線互相連結，再以該導線連接一外部電路；以及 -固定基板’設置於使用環境中，該固定基板係與至少一部分 該至少-軟式壓電發電薄膜接觸，承载並固定該至少一軟式^ 電發電薄臈於該固定基板上。 2. 如申请專利範圍第1項所述之軟式麼電發電裝置，其中該至 少軟式壓電發電薄膜之形狀可以是矩形。 3. 如申料利lull第1項所述之軟式壓電發電裝置，其中該至 少-軟式壓電發電薄膜之長度可以是10至20公分。 4. 如申4專利細第1項所述之軟式壓電發電裝置，其中該至 少-軟式壓電發電薄膜之寬長比可以是i: 8至i: 20。 5. 如申請專利範圍第1項所述之軟式壓電發電裝置，其令該至 少-軟式壓電發電_之厚度可以是2G微米以下。 6. 如申Μ專利細第丨項所述之軟式壓電發電裝置，其中該至 少一軟式壓電發電薄膜之材料可以是一高分子壓電材料或 該高分子壓電材料與一壓電陶究材料之組合。 7. 如申:專利圍第6項所述之軟式屢電發電裝置 ，其中該高 刀子壓電材料包括聚乙稀氣化物㈣—^融e fl⑽硫， M432150 PVDF)或聚乙烯氟化物之共聚物(cop〇iymer)。 8. 如申請專利範圍第6項所述之軟式壓電發電裝置，其中該壓 電陶瓷材料包括錯鈦酸鉛(Lead Zirconate Titanate，PZT>。 9. 如申請專利範圍第1項所述之軟式壓電發電裝置，其中該至 少一軟式壓電發電薄膜間之連結可以是串聯、並聯或其組 合。 10. 如申請專利範圍第1項所述之軟式壓電發電裝置，其中該至 少一軟式壓電發電薄膜之頂端可設置一質量塊。 15