エネルギーハーベスティング – 現実的な可能性

エネルギーハーベスティングとは何ですか?

エネルギーハーベスティングとは、デバイスがローカルで自然に発生するエネルギーを吸収し、それを有用なエネルギーに変換し、そのエネルギーを使用してアクションを実行するメカニズムです。電気機器の場合、エネルギーハーベスターは環境エネルギーを電気に変換し、それを低電力電気機器で使用することができます。太陽光、風力、振動、磁気、熱、電波など、電気を生成するために使用できる自然エネルギー源は数多くあります。

エネルギーハーベスティング技術の例

周囲の環境からエネルギーを抽出することは必ずしも簡単な作業ではなく、多くの場合非常に制限されています。では、自然に存在するエネルギー源をどのようにして電気に変換できるのでしょうか?

太陽

自然に発生するエネルギーの最も明白な例は太陽光です。太陽電池を使用すると、光起電力効果を利用して光を直接電気に変換することができ、これによりコンデンサまたはバッテリーを充電してデバイスをさらに動作させることができます。しかし、このようなエネルギー源は、エネルギー摂取を最大化するために広い表面スペースを必要とすることが多く、直射日光がある場合にのみ機能することがよくあります。

風

風力は自然に発生するエネルギーのもう一つの明らかな例ですが、太陽光と同様に問題があります。風を電気に変換するには、ローターに接続されたダイナモを使用します。風がローターを通過すると、ダイナモのシャフトが回転し、電気が生成されます。このようなシステムでは、エネルギー収穫装置を風のある場所に設置する必要がありますが、風は不規則なエネルギー源です。

熱電

熱電システムは、2点間の温度差が大きい場合に電気を生成することができます。熱電システムの基本的な例としては、ペルチェ冷却器が挙げられます。ペルチェ冷却器では、「熱い」側が温かい物体と接触し、「冷たい」側が冷たい物体と接触します。この結果は「ペルチェ効果」と呼ばれ、ペルチェ冷却器が電気を生成します。

電気機械

電気機械エネルギーハーベスターは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するものです。これはさまざまな方法で実行できますが、最も一般的なのは圧電効果です。圧電材料とは、電流を流すと特定の方向にたわみ、材料が機械的に変形すると電流を発生させる材料です。したがって、圧電素子を振動する物体に取り付けると、素子が電流を生成します。

無線

無線エネルギーハーベスターは、無線波を直接電気に変換する装置です。このようなエネルギーハーベスターは珍しいタイプであり（電波は非常に弱いため）、生成される電力はごくわずかです。ただし、十分に強い電波フィールド内に配置すれば、デバイスに電力を供給するために使用できます。典型的な例の1つは、動作に電源を必要としない (長いアンテナと接地接続のみ) 旧式の鉱石ラジオです。

エネルギーハーベスティングはなぜ難しいのでしょうか?

エネルギー収集における最大の課題の1つは、対象となるアプリケーションに十分な電力を供給できる信頼性の高いエネルギー源を見つけることです。たとえば、太陽光と風力はどちらもかなりの量の電力を供給できますが、太陽は常に輝いているわけではなく、風は非常に予測不可能です。両方を同時に使用した場合でも、曇りで風のない日には、そのようなエネルギーシステムではほとんど電力が生成されない可能性があります。

機械的エネルギーや熱的エネルギーなどの他の自然エネルギー源も非常に信頼性が低く、基本的なセンサーを動作させるのに十分なエネルギーを生成することさえ困難な作業です。エネルギーハーベスティング システムが直面するもう1つの問題は、大多数のデバイスからの電力需要です。Wi-Fiを利用し、アクティブ時に100mW未満の電力を消費するIoTシステムを見つけるのは、控えめに言っても困難です。

何が変化しているのか、そしてテクノロジーはどのように役立つのか?

エネルギー収集デバイスは現在確立されているデバイスには実用的ではありませんが、技術の進歩により、エネルギー収集装置だけで動作できるデバイスが登場しています。

劇的に役立つ最初の技術改善は、トランジスタのサイズの縮小です。一般的に、トランジスタの数を減らすとチップに搭載できる容量が増えますが、トランジスタの数を減らすと各トランジスタの消費電力も減ります。したがって、より小さなトランジスタを使用するデバイスは、より強力になるだけでなく、トランジスタあたりの消費電力が少なくなるため、電力要件が低くなる可能性があります。

2つ目の技術改善は、非常に効率的なインテリジェントな電源設計 (特殊なDC-DCコンバータなど) の使用、または必要なときにのみ電力を消費するウェイクアップ システムの利用です。インテリジェントな電力設計の結果、デバイスはより小さな瞬間電源で動作できるだけでなく、総エネルギー消費量も少なくなります (したがって、動作バーストあたりの必要エネルギーも少なくなります)。

エネルギーハーベスターとそれによって電力を供給されるデバイスの改善に貢献している3番目の要因は、内部バッテリーを必要としないリモート デバイスに対する商業的な需要の増加です。ドアベルなどの一部のデバイスは、ネットワークに接続する必要がありますが、ドアベル自体は誰かが押したときにのみオンにする必要があります。スイッチは圧電エネルギーハーベスターに置き換えられ、その結果、スイッチが押されるとデバイスの電源が入り、警報システムにメッセージが送信され、その後電源が切れます。

エネルギーハーベスターはIoTをどのように変えるのでしょうか?

信頼性の高いエネルギー収集技術をIoTテクノロジーに組み込むことができれば、その結果は計り知れないものとなるでしょう。IoTテクノロジーはネットワーク機能を備えた小型センサーに重点を置いているため、電源を探す必要がなく、大規模な展開を迅速に行うことができます。これにより、デバイスをほぼすべての場所に設置でき、バッテリーの交換や充電が不要になります。

IoTデバイスのエネルギー収集により、スマート ホームの簡単な設置も可能になります。電源や通信線がないため、IoTデバイスをホーム ネットワークにすばやく追加できます。ただし、デバイスの機能は利用可能なエネルギー源に依存するため、カメラやオーディオ モニターなどのデバイスは考えられません。このようなIoTデバイスは、押すと特定のアクション (アイテムの追加注文、ドアや窓の開閉、環境制御の設定など) を実行するスマート ボタンの形をとる場合があります。

エネルギー収穫に関する神話

エネルギーハーベスティングは、IoTデバイスが現在直面している多くの問題 (およびその他) を解決できる黄金の技術のように思えるかもしれませんが、設計者はエネルギーハーベスターとエネルギースティーラーの違いを理解することが重要です。いわゆるエネルギー収集装置の多くは、実際にはエネルギーを盗むものであり、温室効果ガスの排出増加につながる可能性があります。

機械的エネルギーから電気を生成する圧電デバイスは良い例であり、スイッチ アプリケーション (ドア ベルなど) に適しています。しかし、車の振動エネルギーを吸収するために道路に挿入されたものは、車に対する道路の抵抗を増加させ、結果として車の燃料消費量を増加させる可能性があります。

電波を吸収する無線ハーベスターは、基本的に信号の強度を低下させ、ネットワークを使用できるデバイスの総数を減らします。多くの場合、影響は最小限に抑えられますが、数百万個のセンサーによって放射能力が全体的に低下するため、同じ範囲と信号品質を達成するには無線ソースからより多くの電力を出力する必要があります。

主電源に接続する電気機械装置は、静電結合を介してグリッドからエネルギーを引き出します。したがって、電力網に接続された電源は、エネルギーハーベスターによって生じた損失を補うために、より多くの電力を出力する必要があります。繰り返しになりますが、個々のエネルギーハーベスターは取るに足らないものかもしれませんが、何百万台も集まればかなりの負荷を生み出すことができます。

エネルギーハーベスティングは実用的か？

現在の技術では、エネルギーハーベスターは大量生産して現代の製品に実用化できるものというよりは、むしろ目新しいものです。NFC技術の使用により、リーダーの近くにある場合にのみ起動するスキャン可能なデバイスが可能になり、これらは20年近く使用されてきましたが、環境エネルギーを吸収できるIoTデバイスはほとんどありません。

こうした設計のもう1つの問題は、必要なときだけ動作するデバイス (つまり、ディープ スリープ デバイス) の場合、その位置を特定することがほぼ不可能になる可能性があることです。これにより、プライバシーというまったく新しいレベルの懸念が生じる可能性があります。ほとんどの時間をエネルギーの吸収に費やし、その後、急激に作動するデバイスは、位置特定がほぼ不可能なだけでなく、スパイ活動や偵察にも使用される可能性があります。セルラーIoTデバイスは、充電に23時間かかり、1分間の時間枠を使用してセルラー ネットワークに接続し、マイクを使用して聞き取り、コンテンツをアップロードしてからシャットダウンする可能性があります。1分間という時間は短いですが、ドアが開いたり、コンピュータが起動したり、NFCタグが存在することを検出したときにセンサーがアクティブになるように設定できます。

結論

エネルギーハーベスターは、交換可能な電源や配線を必要としない、非常に実用的なIoTデバイスを作成する能力を備えています。このようなデバイスは困難な環境にも簡単に設置でき、ワイヤレス技術を使用できるため大量導入が可能になります。