一些細微的事情對環境影響看來並不明顯,例如把家中的白熾燈泡換成高效能的螢光燈(CFL)或發光二極體(LED)燈泡,因不會對家中的電量消耗有明顯的影響,所以只是一件微不足道的事。但若換上新型環保燈泡可減少達40瓦的電量計算,每天開啟12小時,每天便可節省達240瓦時(Watt-hour)的電量;再假設全國有一億民眾都換上新型環保燈泡,那麼可節省的電量便相當於興建兩座全新千兆瓦電量的發電廠。毫無疑問,人類是地球上最大的能源消耗者,每一項的電子設備都會有成千上萬的人使用,因此只要有功耗上有些微的改進,都能對環境帶來莫大的助益。
改良可攜式裝置電源
可攜式和非可攜式裝置對電源的要求相同,傳統的電源一般都採用電池,而目前最新的技術是鋰離子(LiIon)或鎳氫(NiMH)兩種,雖然兩種電池技術均已十分成熟可靠,但各均有不同的限制。鎳氫電池已被採用多年,但其化學反應會隨著使用次數而老化,並出現自行放電的現象;至於鋰電池,由於內部氧化的關係,從生產完成後便會開始出現老化現象,導致串連阻抗不斷增加。即使最新的鋰電技術已不斷革新,但上述的缺點都迫使電池只能維持2~3年的壽命,不過,只要了解這些電池的限制,就能改善電池續航力,而且只須改良設計,即可改善對環境的影響。
要改善鎳電池系統的壽命,須先了解其週期耗損機制。鎳氫電池在重載(快速放電)或高溫下會衰減較快,若這兩種情況同時發生,後果會更糟。鎳氫電池一般在經過兩百五十至五百個週期後,電量便開始衰減,而不斷替鎳氫電池充電也會帶來其他問題,亦即鎳氫的化學成分使其在充電時放出熱力,而其近親鎳鎘電池則相反,其為充電時吸取熱能,因此,在充電的時候,不單要監視電壓的變化,也要嚴密監視充電端點的溫度上升狀況(圖1)。由於溫度上升的速度,即圖中線的斜度不是很明顯,因此必須使用高準確度的溫度感測器,防止出現偵測錯誤而造成電池過充及損壞。
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圖1 輸出電壓與溫度關係圖 |
鎳氫電池的另一個充電問題,是當電池在未使用時仍須儲備一定的電荷,這種儲備電荷對於充電週期會帶來影響,而且對於電池本身就更不利。最佳的解決方法是當充電接近完成時,把電池的充電速率由原本的電量充電率(C/1)下降十分之一到C/10,之後才完全停止充電。如此一來,定期監視著電壓的變化,並不時啟動這個週期以使電池發揮最佳效能,並能延長電池續航力,同時亦可延長設備的使用時間。
鋰電池帶來的挑戰與鎳氫電池很不一樣,當中比較明顯的是其可能產生災難性的故障,如爆炸。現今的鋰電池都採用內部的自我安全機制以防出現過充,方法是當有問題發生時,將內部電池與外部接點永遠隔離,以免電池著火焚燒。不過,電池在狹小的空間內被加熱亦會迫使出現機械性故障和著火,而類似這種的故障不時有報告傳出,因此最佳的解決方法是為電池提供最優良的機械設計和足夠的冷卻設施,這方法不僅適用於鋰電池系統,對鎳氫電池系統亦適用。
此外,鋰電池會隨著時間而老化,使其串連阻抗不斷增加,然而,改善的方法是使用比設備要求電量更大的電池,系統的壽命便可因此延長。隨著電池不斷老化,輸出電壓會在同一負載下減少,從而限制電池最終的可用中斷點,若負載減輕,功耗便會減少;又或採用較高電量的電池,電壓下降的程度亦會減少,進而提供更長的工作時間。
延長電池壽命對環境影響日益顯著
延長電池壽命對環境的影響,剛開始可能不太明顯,但試想每台設備都有成千上萬個用戶,如果能延長這些設備的壽命,便可大幅強化環保效果。假設全球有二十億個行動電話和十五億各類可攜式裝置如媒體播放器或室內無線電話等,而且這些裝置數量正不斷攀升,接著再假設這些設備的平均壽命為3年,便可估計每年將有十二億個這類設備被丟棄。因此,只要簡單地透過適當的設計延長15%的電池壽命,每年便可使十八萬台可攜式裝置以及其電池繼續運行,使其免被丟去當垃圾堆填海的命運,同時,假若電池的壽命得以延長,廠商亦毋須增加鎳和鋰電池的產量,亦可進一步產生環保效益。
(本文作者任職於美國國家半導體)