壓電材料,創造奇蹟
 
2016/12/01
 
IC之音廣播電台
 
 
東元科技文教基金會主辦的Green Tech科技創意競賽,2012年獲得冠軍的團隊來自台灣大學機械所,他們發展的無旋轉風扇散熱裝置,把實驗室裡的省電散熱技術實用化,進而創業而受到矚目。2014年,他們更以相關的技術發表新的應用,請聽今天的科學三分鐘,與您分享:壓電材料,創造奇蹟。

這項Green Tech科技創意競賽,是由專業評審團,評選大專院校在校師生提出的,具有節能減碳效益的創新技術。由本集單元科學顧問台灣大學機械所馬小康教授所指導的團隊,則在2012年以無旋轉的風扇散熱裝置,獲得冠軍。

說起風扇,一般人一定會想到用馬達帶動葉片旋轉的傳統風扇。但他們的技術卻截然不同,是以片狀的壓電材料,稱為壓電片,做成新型的散熱裝置,可以用在電腦等電子產品,所消耗的能源,是傳統旋轉風扇的2%~5%,非常省電。

而就像2014年參賽團隊的隊長許元朧所解釋的,從某個角度來看,這種風扇的概念其實很像「搧扇子」。

許同學:
像壓電片這個部分的話,它是取決於它材料的特性,那我們只要供應它交流電的話,它就會產生一個振幅。那你要去找到你的最佳共振頻率,達到最好的一個效果。當壓電片在正中間擺動的時候,它擺動上面只要夾著我們的磁鐵,那排斥的時候它就會造成一個風扇的擺動,那擺動會帶來的,就是我們的風力,產生散熱的一個效果。

簡單地說,就是有三片葉片,中間的是壓電片,通上交流電就會擺動。兩側的葉片則因為磁性「同性相斥」的原理,而隨之搖擺。您可以想像,這種快速搖擺的葉片就像「搧扇子」一樣,能製造一股穩定氣流,達到散熱的目的。而找到最佳共振頻率,則是讓整套裝置省電的另一個關鍵。最後,就完成了省電,噪音極小,而且幾乎不會卡灰塵的「無旋轉」風扇散熱裝置。

那麼,2014年的參賽團隊又做了什麼呢?答案是複合式蜂巢結構的單邊壓電式燃料電池。團隊成員于寧祥同學說:

于同學:
燃料電池是要靠氫和氧在質子交換膜上反應,會產生電和水,水是一個沒有汙染的產物。在一般的燃料電池中,氧氣端通常都以自然進氣的方式補充,但時常會有供應不足的現象,造成質子交換膜化學反應不佳,產生出來的電量就會變少,所以我們就靠著加入一個壓電片和PDMS(高分子材料)結合去擺動,使腔體內部空間有時被壓縮,有時會擴張,這樣的往復擺動就可以使空氣不斷的替換進入,讓燃料電池中的質子交換膜反應比較穩定。

當空氣進入燃料電池,空氣中的氧氣跟氫氣反應之後,氧氣會消耗掉,怎麼補充呢?簡單地說,是利用壓電片,連接著有彈性的高分子薄膜,您可以想像它有點像是醫生用的橡膠手套,當壓電片擺動,這個薄膜也會振動,造成電池內氣壓的改變。最後的結果,就是跟氫氣反應完,氧氣濃度比較低的空氣會被擠出去,新鮮的空氣則會補充進來,讓燃料電池有效地運作,同時產生的水氣被帶出,避免水分堆積在腔體,有效改善水管理問題。因為壓電片很省電,這項設計,可望改善燃料電池的效能。

至於為什麼使用蜂巢式的六角型結構,則是跟蜜蜂蓋房子一樣的道理,可以在節省材料的前提下,把六顆燃料雙電池組合在一起,而雙電池設計可達到類似飛機雙引擎的雙重保護措施,不會因為一顆損壞而失效。蜂巢結構也有助於解決燃料電池常見的熱堆積問題,具有結構堅固、善用空間、通風良好,而且可以像蜂巢一樣不斷擴充等四項優點。

今天的科學關鍵字,就是

壓電效應 Piezoelectricity

您可以透過關鍵字,進一步查詢或做延伸閱讀。

【本單元由科技部補助製播】2014-09-21 16:55:00播出
 
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