IoTデバイスのためのエネルギーハーベスティング

エネルギーハーベスティングとは？

エネルギーハーベスティング技術は、光、熱、音、電波、振動、動きなど、私たちの環境からわずかなエネルギーを集め、そのエネルギーを電気に変換する技術です。

エネルギーハーベスティングは決して新しいソリューションではありません。太陽電池やペルチェモジュールのように、エネルギーを電気に変換する電子部品や変換器が登場したときから、設計者は高い関心を持っていました。しかし、効率が悪かったり、回収したエネルギーを蓄えるのが難しい等の課題があり、実用化されることはほとんどありませんでした。

IoT（Internet of Things）の出現により、近年の集積回路の利用に新たな可能性を拓けてきました。これまでは、回路の使用に比べてエネルギーハーベスティングは無視されていました。現在では、最先端の部品を使用することで、アプリケーションのエネルギー効率を大幅に向上させたり、IoTワイヤレスセンサーノードなどの特定のデバイスでセルやバッテリーを使用しないようにするために、エネルギーハーベスティングを検討することが可能になっています。

エネルギーハーベスティングは、新しいアプリケーションの受け入れ率を左右する重要なエネルギー源となります。

• バッテリーの交換がないため、メンテナンスの手間が省けます。
• 電池を使わないことで環境にやさしい
• 遠隔地や水中でのアプリケーションの新たな可能性
• 運用コストの削減

「エネルギーハーベスティング」の仕組みは？

どれだけのエネルギーを集めても、獲得と変換のプロセスは基本的に同じです。それは4つの要素で構成されています。

• エネルギーを電気に変換するトランスデューサー
• 信号処理回路（信号の整列と増幅）
• 蓄電素子（スーパーキャパシタ）
• 蓄電部の充放電を制御して最適化するパワーマネジメントユニット

最も有望なエネルギーの種類とは？

私たちの環境には、ほとんど利用されていないいくつかのエネルギー源があります。その中には、光、振動、高周波、熱源など、環境中に豊富に存在しているため、非常に有望なものもあります。ここでは、それぞれのエネルギーハーベスティングシステムについて、詳しくご紹介します。

自然光と人工光

太陽や人工的な光のエネルギーを取り込み、変換することができるのが光起電力効果を利用した技術です。収穫率が20％以下と比較的低いにもかかわらず、現在では最も進んだエネルギーハーベスティング方法となっています。現在のところ、表面積に対する出力比は100mW/cm2に達しています。効率を高め、新たな可能性を開くための研究は、今も盛んに行われています。ここ数十年で、アモルファスシリコン（aSi）やセレン化銅インジウム（CIS）などの新素材が登場しています。アモルファスシリコン（aSi）やセレン化銅インジウム（CIS）などの新素材は、効率を落とす多結晶や単結晶シリコンよりも機械的特性が優れており、価格も安いというメリットがあります。

この技術は、厳しい環境下にあるセンサーに電力を供給するために一般的に使用されています。こういったケースでは、ソーラーパネルの大きさは数センチ四方です。この技術は屋内でも使用できますが、その効果は1,000分の1になります。素材はアモルファスシリコンが最適です。

振動

振動は多くの環境、特に産業界に存在しています。周囲の振動は工場のいたるところで見られ、これは未来の産業（インダストリー4.0）を実現するための真のチャンスであり、膨大な数のセンサーの使用が必要となります。振動から電気への変換は、電磁式、静電式、磁歪式、圧電式の4種類のセンサーをベースにして行うことができます。

表面に対する電力比が100μW/cm2であることから、振動エネルギーの収穫は他の多くの分野で実現可能です。いくつかの例をご紹介しましょう。

• 人体からの運動エネルギーを利用してウェアラブル機器を駆動する
• キーを押す動作からエネルギーを得て、リモコンの操作に必要な電気を供給する
• 踏切の振動を利用して線路周辺のセンサーを動かす

ラジオ周波数の波

環境中には無数の高周波が存在し、そこからエネルギーを収穫する機会も同様に多くあります。繰り返しになりますが、RFエネルギーを使って小型機器に電力を供給することは、新しい現象ではありません。RFID（Radio Frequency Identification）はその一例で、数年前から実用化されています。このシステムは、電磁エネルギーの伝達に基づいて動作します。

近年、携帯電話やWi-Fi通信の登場により、電波の存在感は10倍になっています。このエネルギー源は大きな可能性を秘めており、集積回路メーカーはこれに注目しました。このエネルギーを収集し、RF信号をDC電気信号に変換する受信回路を提供しています。この目的のために、RF信号をCC信号に変換するレクテナモジュール（アンテナ／レクチファイア）が製造されている。

もちろん、このようなエネルギー回収は、超低消費電力のアプリケーションのための潜在的なリソースであり、より要求の厳しい設計のためのバックアップソースでもあります。例えば、1メートルの距離に置かれた1Wの送信機からエネルギーを回収することで、1マイクロワットの電力を得ることが期待できます。

火力発電

私たちを取り巻く環境には、かなりの量の熱源が存在しています。主な熱源は、電子機器、モーター、機械システムの加熱など、人間の活動に関連するものです。これらのエネルギーは、熱電発電によって電気に変換することができます。

熱電技術は、19世紀に発見された物質の結合力であるゼーベック効果とペルチェ効果に基づいています。1950年に初めて実用化されましたが、歩留まりが悪く、開発が進まない状況が続いていました。しかし、ここ数十年のエネルギー効率の向上に伴い、研究が進みました。

最近では、テルル化鉛のナノ構造をベースに、変換効率を向上させる新材料を発見するなど、新たな一歩を踏み出しています。しかし、これらの重金属材料は壊れやすく、希少で、高価であるため低コストの代替材料を探す研究が続けられています。しかしながら、他のソースと同様に、低消費電力の回路に対して新たな可能性があります。

• 人体の温度を取得して、ウェアラブル機器やコネクテッド・ウォッチ、ペースメーカーなどのコネクテッド・メディカル機器に電力を供給する
• 車の熱を利用して各種センサーに電力を供給する

将来への展望

コネクテッド・オブジェクトは、今後ますます普及していくと思われます。しかし、これらの回路が動作環境からエネルギーを引き出せるようになって初めて、私たちはそれらを利用できるようになります。一方、変換効率がさらに向上する中で、電子機器メーカーや半導体メーカーは、IoTアプリケーションのエネルギー効率を高めるために、これまで以上に経済的な回路や、潜在的なマルチソースのエネルギー回収管理ソリューションを開発し提供して行きます。

今や、エネルギーハーベスティングは、設計によるエネルギーへの影響を最小限に抑えたいと考えている電子機器開発者にとって新たな可能性の一つとなっています。