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邊走邊發電? 發電鞋實用性分析

2014.08.27
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合作轉載

文:歐敏銓

(腳本天生,用腳發電?)

今日穿戴式話題興起,但不論是智慧手環、戒指或眼鏡,都遭遇到持續供電的問題,其中以眼鏡的問題最大,據實際用過Google Glass的研發者指出,持續使用的話,不到兩小時就跑不動了,而這也是市場認為穿戴式應用仍未到位的一個主要瓶頸。

既然是穿戴在個人身上的應用,那有沒有可能自己發電給自己用呢?

事實上,個人行動發電這題材,學、研界早在十多年就已開始投入研究,已有不少成果。只是當時還沒有適合的應用,也就無用武之地。如今穿戴式成為市場追逐的話題,使得這些「可再生人體能源」的研究有機會翻身,成為突破穿戴式裝置供電瓶頸的關鍵。

有那些可行方案呢?其中走路發電具有隨時、隨地、可再生的能源特性,因此最多人投入研發可以邊走邊發電的鞋子,但還有很多其他可採集人體自發能量的方式,如利用膝蓋的運動特性來發電、採集人體熱梯度產生的電力,或善用活動(無毒病毒)的壓電特性來發電。本文先來介紹和分析一下發電鞋的可行現況。

發電鞋,能發多少電?

談走路發電,先要看看走路這件事有多大的發電潛力。早在1996年,Starner就在其研究中指出,若以 82m/min 速度行走,以正常步頻2 步/sec,一位體重 60 公斤的人行走一秒,對垂直地表方向所做的功率是14.112W,也就是說,如果行走所做的功能完全轉換成電能,那就能讓一盞14W的燈一直亮著(計算公式請參考[註1]);拿來充手機的話,走個半小時大致可以充飽電。

不過,上述是走路做功的理想值,能採集到多少電力,還得看是用了什麼技術。筆者找到的報告指出,研究上常用的採集技術為振動能、壓電材料及永磁式旋轉發電機,其中以永磁式技術的發電量較高,但也只有0.23W 的輸出功率。

較近的一個研究是美國萊斯(Rice)大學機械工程系4位學生設計的PediPower發電鞋,據稱平均可產生0.4W的輸出功率,以此比對14W的理論值,所達到的採集效率大約只有3%,也就是說,要充飽一支手機,很抱歉,請持續走個15~16個小時。

(Rice大學團隊開發的PediPower發電鞋,採外加式的發電裝置。)

另一個在今年獲得Popular Science創新獎(Invention Awards)的SolePower鞋墊,去年中在Kickstarter上募資成功,並準備在今年稍晚要上市了。據該團隊指出,穿著這版本的鞋墊想充滿一台iPhone,需要走上15mile(約24公里),以2 步/sec,0.5m/步的條件來看,大約要走個6~7個小時吧。這距離大概是一條淡水線的長度(中正紀念堂到淡水站),對一般人算變嚴苛的挑戰,但換個角度,其轉換效率看來又比Rice大學的研究高出不少。

(SolePower鞋墊設計原理:腳後跟為發電裝置,鞋帶上外掛一儲電裝置。)

再換個角度看,以上皆是以充飽一支手機為基礎來做評斷,當然,這是多數人對「行動電源」的最大需求所在:大家最需充電的行動裝置,就是手機(平板和NB先別想太多)。但若換成是更低功耗的iPod智慧手環、能感測生理訊號的智慧衣,或機電式的義肢等穿戴裝置,今日發電鞋的發電效率就很實用了。

即使是為手機充電,也有很受用的情況,特別是登山客,上了山就很難找到充電電源,天氣不好時也無法得到太陽能供電,這時把自己的每一步都轉換儲備為電源,則可供必要的GPS定位使用,或緊急時發送微波或GPS求救訊號。對於一般人,遇上停電時,就趕緊穿上這類鞋子,拼命的走一走、跳一跳,只要夠撥出緊急電話或提供緊急照明,那這雙鞋就是功德無量了。

有了電,難題還很多

在設計上,發電鞋還有很多值得探討的議題,例如發電裝置該如何與鞋子結合而不會加重負擔,更不會穿起來很怪異。由於走路時對地面作用力最大的位置在腳後跟,因此發電鞋多半將發電裝置設計在鞋跟處,透過特殊的機構(主要是機械式或流體式兩種)來採集和儲備能量。

值得注意的是,跑步看起來可提供更大的對地作用力,但因施力點多半在腳的前中段,所以得採用不同的集電設計方式。由此又推想,如果能將腳下前、中、後段的作用力都妥善採集,發電功率該可再向上提升吧。

(多數走路發電鞋將發電裝置設計在鞋跟處。)

即使順利將走路作的功都高效率地轉換為電能了,還得先妥為收集儲存,再想辦法把電供應出去,這都關係到發電鞋的整體設計方向與使用情境。簡單的作法是將電先存在鞋子上的一個儲電裝置中,要充電時再取下來接線充電,但這顯然並不符合邊走邊充電的理想。

但要將來自腳底的電隨時能供應給手上、身上或頭上的穿戴裝置使用,目前還是很大的挑戰。無線充電?現在市場正熱,但仍是極短距的應用,並不適合發電鞋來用。在衣服中埋一條電線來傳遞電力呢?除非這電線是超導材料,不然長距離的送電,好不容易收集到的電力還沒送到目標裝置,就已損耗的差不多了(如何紡織是另一難題)。

Call for Action

總而言之,發電鞋有其發展的利基,也有橫在眼前的許多挑戰。這些挑戰,其實不該都丟給研究學者或工程師來面對,也可以交由群眾來一起解決。

怎麼說呢?我們太習慣從技術和市場這兩個軸向來思考問題了,然而,若能將一個技術模組化後,丟出來給更多人用用看;甚至在進入技術開發前,先和各領域的人坐下來進行開放性的設計思考,很多問題可能都不是問題,而是機會。

你手上有適合發電鞋用的技術嗎?若想集眾人之智來推展應用,不妨告訴我們(INNOMAMBO),一起來Call for Action!

全文轉載自《INNOMAMBO創新曼波


註一:計算公式參考來源

註二:1. 筆者非技術專家,本文中發電效率估算若有謬誤,請專家不吝指正;2. 因未找到最新研究資料,若有更理想的研究成果,也請不吝提供,本文將立即更新


作者簡介:現任INNOMAMBO總主筆兼創辦人,希望推動「社會科技創新」,即運用科技創新為社會、社群服務。除了是資深科技媒體人外,也是劇場工作者,現擔任文山人劇團團長。曾任CTIMES總編輯(2012 - 2013),現兼任CTIMES編輯總監(顧問職)。信箱:ou.owen@gmail.com

從透明化立法出發—讓智能手機廠商攤在陽光下受審查

編譯: 張雅茹

智慧型手機,堪稱改變世界及你我生活的夢幻產品,但你可知道,手機內來自於世界各處的零組件與材料,卻可能造成環境與人類生活的損害。

世界三分之一的錫產量源自印尼的邦加島,並廣泛使用在電子產品上。地球之友組織(Friends of the Earth)調查發現,印尼邦加島因開採錫礦,導致可怕的勞工傷亡,及珊瑚礁和森林的破壞。數以萬計的產品用戶透過電子郵件向知名科技品牌商表達他們的顧慮。對此,Samsung、BlackBerry、Motorola、Sony、Nokia、以及LG 皆已公開承認使用邦加錫。然而Apple卻在一年後的供應商報告中,才公告供應商錫礦來源名單。

因開採邦加錫礦而衍伸的問題並非特例。開採電子產品零件中的其他礦產,諸如鋁與稀土金屬等,同樣可能造成水資源浩劫與生態系統的破壞。但品牌廠普遍尚未查覺這些對環境造成損害的問題,正發生於他們的供應鏈中。

永續經營政策等資訊應於財務報表中揭露

唯有當企業察覺並聲明目前營運方式在獲利之外,對社區及環境的可能影響,企業才有可能開始嘗試解決問題。

改善供應鏈分析能幫助企業提升資源使用效率,並使財務表現更佳。國際證券交易所於2013年研究發現,各國對於揭露永續經營資訊的法規標準,是影響各國企業表現的最大關鍵因素。

然而,企業對其供應商慣行的砍價策略,致使人類及環境安全議題被暫丟一旁。因此,要求企業提出社會環境衝擊報告,也許能改善業界削價競爭的惡習。

(圖:新創手機Fairphone,企圖設計更加節約資源和道德採購的智能手機。圖片來源)

透明化立法的重要性

當大部分的品牌都忽視監控供應商的重要性時,即使是最佳的企業也孤掌難鳴。但透過修法,可確保所有企業標準一致,致力於解決相同的問題。這就是嚴格立法要求企業提出透明化報告的重要性,也讓地球之友組織及環保聯盟強力遊說,確保歐洲地區建立相關立法規範。好消息是,母公司設置於歐盟的企業,開始必須提出對社會和環境的影響評估,包含上下游供應鏈的報告。

而透明化立法預計也會成為英國下一次選舉的熱門議題,若對此議題有興趣,可進一部參考推動團體的連署網站

資料來源:
Smarterphones: transparency legislation transforms the things we buy

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