壓電材料具有高的機電轉換特性，配合適當的機械能傳遞結構與控制電路，成為擷取環境機械能的重要方法。對特定型態的機械能，如汽車輪胎轉動與高速軸承，壓電換能器的使用有較高的效率，配合感測器成為自電式無線胎壓或應變感測器，為壓電發電器商品化的實例。利用壓電材料的致動特性，結合其自電式感測功能，形成主動式的制振系統，亦為壓電發電器的產品潛在應用機會。對具大質量物體如行人與車輛，其運動時對地表有大的機械能作用，以壓電材料製作發電地板，雖然能量轉換效率不高，其大的機械能輸入，使發電地板有足夠的電能輸出，為另一項具商品化機會的產品。提高壓電材料之機電轉換率、高效率傳遞能量的機械結構與控制電路，為三項提高壓電發電器性能的發展重點。隨著科技的進展，壓電發電器的效率將不斷的提高，壓電發電器的應用產品也將逐步增加，成為潔淨能源的另一項來源。
壓電換能基礎
材料具有結晶之非對稱性，會使晶體呈現等效的電荷分離現象，即存在晶體中有特定大小的電偶極距(Dipole Moment)。隨外加應力或應變的變化，會產生電偶極距改變，使材料兩端產生電荷堆積，依壓電材料連接的電性負載大小，產生電能輸出，此種機械能轉換成電能的現象稱為正壓電性。對變動性的機械能輸入才能產生電能輸出，因此壓電材料的機電能量轉換與外加機械能的大小及變化速度相關，亦即隨機械能的頻率有不同的機電轉換特性。隨時間變化的機械能之典型即為振動，能量變化的頻率即為振動頻率，因此壓電材料受機械能作用產生的電能，隨振動源的特徵有不同的結果。此外，機電能量轉換的基礎來自於電偶極距，隨電偶極距改變量的大小有不同的能量轉換能力， 一般以具有永久性極化的鐵電性(Ferroelectric)材料，具有最大的電偶極距變化，其中又以鈣鈦礦(Peerovskite)結構的鋯鈦酸鉛(Lead Zirconate-titanate; PZT)的效果最佳，因此PZT 材料成為壓電陶瓷材料的代表，其產品運用最廣泛。為增加PZT 材料的電偶極距變化(或稱壓電性)能力，常以含有鉛的其他類鈣鈦礦材料如Pb (Zn, Nb)O3、Pb(Mg, Nb)O3、Pb(Zn, Sb)O3、Pb(Ni,Sb)O3等作為第三成分，使其壓電特性大幅提升，成為現在商品中常使用的成分配方。
壓電發電器的組成
壓電發電器是以製作成特定形狀的壓電材料，結合控制電路所形成，其中壓電材料與傳送機械能的結構組合形成壓電換能單元，經整流、濾波與直流轉換電路，產生特定值的直流電能輸出。與一般的潔淨能源發電產品相同，輸出的電能會先儲存於電池中，再依負載需求提供電力。壓電材料對變動的機械能產生電能，亦即輸入的機械能存在頻率，因此經壓電轉換產生的電能也會有相同的頻率，類似交流電的性質，於儲存至電池時，需經整流濾波與調整電壓值，使整體的壓電發電器常存在壓電換能單元與控制電路兩項組成，壓電發電器的功能除轉換單元與電路效率外，兩者間的匹配也相對重要。
壓電發電器常以現有的壓電材料與元件作應用，在振動的環境中使用，元件製成高機械振動承受性的結構，一般會輔助金屬材料的結構體，一方面保護壓電元件避免破裂，另方面也作為機械能量傳遞至壓電元件的用途。傳統使用的壓電換能單元為懸臂式結構，如圖二所示，其中可使用兩片壓電片的雙模態(Bi-morph)以增加電能輸出，或使用微機電製程製作微型壓電換能單元。懸臂結構一端固定，另一端黏結一機械性負載（荷重），提高環境振動能量耦合至壓電片的比率。一定質量的荷重提供壓電片變形（彎曲），使壓電片存在預應變狀況，對轉換輸出的電能產生不對稱之交流電壓結果，影響控制電路的電力轉換效率，過重的荷重會使懸臂產生永久形變，導致機械能轉換電能的效率變差，因此適當的荷重設計對機電轉換效率的影響也很重要。
圖二、壓電換能單元之結構(a)雙模態；(b)微機電製作之單模態
壓電發電器的應用
以機械撞擊產生電壓為壓電點火元件的運用方式，撞擊瞬間產生高壓使空氣放電，達到點火瓦斯的功能。點火元件產生的電壓高（數千到萬伏特），時間短（微秒以下），無法使用現有電路收集電能。降低壓電產生的電壓與延長電壓產生的時間，為電能收集的必要調整。提高壓電元件的電容量為達到低電壓與延長時間的主要方法，使用多數個壓電元件並聯，或是降低壓電片的厚度等為常用方法。圖六即為NEC TOKIN 與日本Heardea 聯合開發，使用多數個壓電元件並聯，運用於發光道路標識，其中壓電元件使用雙模態壓電片，在風速為3~6m/s ，驅動之LED 可每秒發光3 次， 每次發光時間3ms 以上， 亮度為4000mcd 以上。
圖六、使用雙模態壓電片製作之發光道路標識
美國MIT 的多媒體實驗室開發的壓電發電鞋，亦為類似點火元件之撞擊產電的方式，如圖七所示，分別在鞋的前底面與鞋跟使用壓電材料，底面使用可撓的PVDF壓電材料，鞋跟使用雙模態的壓電片。依使用材料的壓電性可產出的電能不相同，唯均為單擊式的電壓波形，每一步會產生電壓輸出，由於PZT 材料比PVDF 具有更高的壓電性，因此雙模態壓電片提供較大的電功率。2006 年JR 東日本公司與慶應大學共同開發的“發電地板”，也是類似點火元件製作壓電發電器的應用，其使用直徑3.5 厘米的圓盤形壓電片，結構成90 平方米的地板，每位乘客通過檢票口時，可產生電力約為70~100 毫瓦。
圖七、壓電發電鞋及其產生的電壓與功率波形
壓電發電器隨機械振動源特徵產生電能，對非特定振動源會因振幅與頻率變化範圍太大，導致輸出的電壓不容易高效率地轉換與收集，因此壓電發電器的應用均以特定的振動源為對象，再配合電源控制電路形成特定用途的產品。例如汽車行進時存在車輪的振動，配合胎壓計成為免電池式的汽車胎壓監控系統(Tire Pressure Monitoring System; TPMS)，如圖八所示，其中使用雙模態的壓電片作為機電能量轉換元件。汽車胎壓必須裝設於輪胎內，如使用電池勢必存在電池更換不便問題，輪胎中的高溫高濕環境也不利於電池長時間使用，因此配備發電器的胎壓計有其市場需求，因此在胎壓監控系統的運用成為壓電發電器商品化的首選， Michelin 公司為最先使用於賽車輪胎中，同時已獲得多項專利，此外Piezotag 、Siemens 、EnOcean 等公司也推出相關的產品。
圖八、使用壓電發電器之胎壓監控器(EoPlex Technologies)
Prodigy 公司用於助聽器的壓電發電器如圖十二所示，使用多層壓電片提高輸出功率，利用特殊機械結構將身體活動產生的能量，傳遞施加於多層壓電結構上，藉以產生電能來驅動助聽器，該機械結構可以集中施加於壓電換能器上的力量，提高換能器產生的電能，為產品中重要的設計。此項產品說明壓電發電器的良好特性表現，適用的機械能傳遞結構非常重要，每一種應用性的壓電發電器常搭配特殊的機械結構設計，因此壓電換能器中存在著許多結構相關的專利。
圖十二 使用於助聽器的壓電發電器(Prodigy Inc.)
壓電發電器產品化機會
壓電發電器的組成包括高機電轉換材料、機械結構、控制電路三大部份，隨機械能來源的特徵，壓電發電器的設計不同，對變動範圍大的機械能，壓電發電器的發電效率較低，因此壓電發電機的商品化機會為特定且相對穩定的機械能來源，如汽車胎壓與高速傳動軸軸承等已有商品問市。此外，設計高敏感性壓電發電器，在不同機械能下有不同的發電量，亦為商品化的一種方式，只是大變動範圍的機械能，複雜化壓電發電器材料與結構，不利於產品成本降低。質量大之物體運動時具有相對大的機械能，雖然頻率變化大，仍為壓電發電器的重要應用機會。由於機械能大，壓電發電器的轉換率可能不高情況下，仍能產生足夠大的電能輸出，使這類的應用產品具商品化價值。例如行人與車輛運動時，設計發電地板將重壓的機械能轉換成電能，將散逸地面下的能量適度地取用回來，為壓電發電器的另一個商品化方向。
壓電材料之高機電轉換率為提高發電容量的基礎，使用多層陶瓷結構或壓電單晶材料為主要方向，唯此兩者均會大幅提高材料成本。以高壓電性陶瓷配合塑膠材質的1-3 壓電複材，具可撓與高壓電性，適用於包括非平坦之表面黏結，擴大產品的應用範圍，其中以含壓電纖維製作的複材商品化機會高，也是目前壓電複材的重要製作方式。機械結構將環境能量傳遞至壓電材料，高機械能傳遞能力為設計重點。此外，機械結構同時保護壓電材料，避免在過大的機械能下造成損壞。控制電路主要為調整發電的電力特徵，使其容易被收集至儲能元件中，對穩定性高的機械能來源，整流、濾波、直流轉換等電路已有商品化產品。
變動性大的機械能，經壓電材料轉換後的電能變化大，如何提高電能的傳遞，為控制電路設計開發的重點。環境中機械能形式與種類繁多，雖然有不同的壓電發電器開發報導，商品化的產品仍有限，穩定與大能量的機械能來源為壓電發電產品主要的應用市場。隨壓電材料、機械結構與控制電路的技術進步，在適當的空間尺寸下，提高發電量達實用性的機會愈來愈高，可以預見的，壓電發電器隨潔淨能源需求升高，將會不斷有新產品推向市場。
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作者：工研院材化所 / 鄭世裕
★本文節錄自「工業材料雜誌263期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7317