熱力学の第二法則は、エネルギーはより組織化された状態から、より分散され無秩序な低レベルの状態へと自然に流れる、と述べています。従来、エネルギー損失は当然のこととして受け入れられていましたが、科学者たちはこの「無駄な」エネルギーにますます注目するようになり、自然に消散するはずだったエネルギーを活用、回収する方法を開発してきました。
エネルギーハーベスティングという用語は、余剰の光、熱、振動、無線周波数エネルギーを電気に変換する原理に適用されてきました。エネルギーハーベスティングは少量のエネルギーに限られますが、回収方法と低電力エレクトロニクスの進歩により、限界を超え、回収されたエネルギーの実用的かつ有用なアプリケーションが存在する時代に入りました。
多くの技術進歩と同様に、技術が広く受け入れられ使用されるようになるには、「実行」能力が説得力のある「理由」と一致する必要があります。エネルギー ハーベスティングの場合、「理由」はすでに十分に確立されています。最初の最も明白な理由は、機器の設置が完了すると、収集されたエネルギーは基本的に無料であることです。ただし、これは、収集されたエネルギーを使用してデバイスを操作する最も説得力のある理由ではないことがよくあります。より実用的な理由には、機器の設置に電力線を設置する人件費を回避することが挙げられます。これには、認定またはライセンスを受けた設置者を使用する必要があることが多く、密集した設置や広範囲に分散した設置では、電力配線の設置コストが急速に増加する可能性があります。従来はバッテリーで動作するデバイスでも、エネルギー ハーベスティングのメリットがあります。バッテリーのコストは比較的低いですが、バッテリーを監視および交換するために各設置まで移動する手作業のコストは相当な額になる可能性があります。危険区域では、メンテナンスを実行する前に機器の電源をオフにするか、電源を切る必要がある場合があるため、このシナリオはさらに複雑になります。エネルギー収集により、バッテリーの必要性がなくなるか、バッテリーの寿命が大幅に延びるため、エネルギー収集機能の追加コストを迅速に回収できるようになります。
エネルギーハーベスティングにはいくつかの種類があります。 最も確立され、広く理解されているのは太陽エネルギーで、何世紀にもわたってさまざまな形で使用されてきました。 比較的最近の太陽エネルギーの電気への変換は、主に中規模および大規模の設備で使用されており、一般的な中規模システムは、住宅や建物に補助電源を提供できます。この補助電源は、停電保護用のバッテリーパックと、余剰エネルギーを地元の電力会社に「売り戻す」ためのAC主電源の両方に接続されることがよくあります。 太陽光発電式計算機などの小規模な例は、電力要件が非常に低いため数十年前から存在していますが、小型デバイスに太陽光発電を実用的に使用できるほど低い電力で動作するデバイスはほとんどありません。 材料と効率のさらなる進歩により、他の小型の低電力デバイスにエネルギーを供給できる便利な小規模システムを作成できるようになりました。 今日、小規模太陽光発電は、時計、ワイヤレスセンサー、RFIDタグ、セキュリティ照明、バッテリー充電器など、幅広いデバイスに使用されています。太陽エネルギー収集の効率にはいくつかの要因が影響し、さまざまな用途に合わせてサイズ、コスト、効率のバランスをとるためにさまざまな材料が開発されてきました。利用可能なスペクトルと光の強度は、一般的に効率に影響を与える最も重要な要因です。屋内では、人工光スペクトルは通常、光スペクトルの下限に制限されており、一般的な屋内照明からの電力出力は、直射日光の100 ～ 500倍低くなります。
圧電材料は、エネルギー回収のためのかなり効率的な別の方法を提供します。これらの材料は、機械的なストレスや歪みを受けると電気的に分極します。通常、セラミック材料で作られているため、耐久性と耐熱性が非常に高く、産業用途やその他の過酷な環境に適しています。主に共鳴と非共鳴の2つのタイプがあります。共鳴材料は振動を再捕捉するためによく使用され、デバイスと振動周波数の良好な一致を確保することが効率的なエネルギー捕捉に不可欠です。共鳴材料は、橋や建物の構造センシングにますます使用されています。これらのセンサーは振動ストレスからエネルギーを集め、大きなストレス下にある小型の送信デバイスに電力を供給できます。非共鳴圧電デバイスは、圧縮されると電荷を生成し、通常はシングルイベント起動を目的としています。ガスグリルのスターターエレメントや、いくつかのプロトタイプのエネルギーハーベスティング歩道は、オフ共振圧電デバイスの動作例としてよく知られていますが、より新しい例としては、スイッチの起動によって通電されると近くの照明を無線で制御できる自己発電型の照明スイッチがあります。
熱電材料は、その特性である低い熱伝導率と高い電気伝導率により、温度勾配を横切ると電荷を生成します。十分に大きな勾配が存在する場合、高効率電子機器によって電荷を収集できます。従来の熱電材料は希少元素を使用していたため、非常に高価でした。しかし、新しいナノスケールの製造技術により、一般的な半導体の物理的構造が珍しい材料を置き換えることが可能になりました。これにより製造コストが大幅に削減され、熱電用途の新たな可能性をもたらす新しいアーキテクチャが可能になりました。 材料の進歩にもかかわらず、最も効率的な動作には、熱電デバイスの高温側と低温側での大きな温度勾配と効率的な熱伝達が依然として必要です。したがって、効果的な熱電システムを設計するには、システム内の最大温度勾配を特定し、高温側と低温側で効率的な熱伝達を実現する包括的なアプローチが必要です。
無線周波数 (RF) エネルギーの収集は、研究者が注目しているもう1つの主要な分野です。今日のコネクテッド ワールドの性質上、RFソースはあらゆる場所にあります。このため、環境は余剰のRFエネルギーであふれており、科学者は長い間、この余剰のRFエネルギーの一部を電気に戻す方法に注目してきました。現在のソリューションは、収集を可能にするのに十分なエネルギー密度を達成するために、専用の指向性アンテナまたはビーム形成アンテナと調整された受信アンテナを使用するシステムに限定されています。ただし、将来的には、利用可能なスペクトルをより有効に活用するために進化しているブロードバンド無線サービスと、新しい周波数へのRFサービスの継続的な拡張を組み合わせることで、よりエネルギー密度の高い環境が実現し、より広いスペクトルのRFエネルギー収集が実現可能になります。
すべてのエネルギー ハーベスティング技術に共通するテーマは、効率は設置環境と使用される技術の適切な組み合わせに依存するということです。このため、設計では、採用するエネルギー ハーベスティング戦略を選択する前に、最終用途を慎重に検討する必要があります。たとえば、電車のアプリケーションでは、一貫性のある繰り返し可能な振動が発生するため、圧電アプリケーションに適しています。エンジンや熱集約型の産業アプリケーションでは、大きな温度差が発生するため、熱電素子の理想的な場所となります。屋外アプリケーションは太陽光に最適で、太陽光を使用してバッテリーを充電し、24時間365日稼働するリモート デバイスの例は数多くあります。最後に、屋内の設置では、人工光に合わせて調整された太陽電池を活用できます。
エネルギー源が何であれ、TIは超低消費電力のエネルギーハーベスティング技術でこのエネルギーをエンドデバイスで使用できる形に変換する方法をリードしています。TIのBQバッテリー管理製品ラインのいくつかのデバイスはナノスケールのエネルギーアプリケーション向けにカスタマイズされており、TIはこれらの製品の機能を強調し、新しい斬新なアプリケーションを調査できるアプリケーション例を公開しています。TI BQ25505 は、エネルギー ハーベスティング アプリケーション用のデュアル バッテリー管理機能を備えた超低電力ステップアップ コンバータです。330mVという低いVinで起動し、Vin=100mVまで動作を継続でき、デバイスへの電力転送を最適化するプログラム可能な最大電力点追跡 (MPPT) サンプリング ネットワークを備えています。MPPT機能により、BQ25505は定期的に入力をチェックし、ソースの負荷を調整して、電源が現在の状態におけるピーク出力範囲で動作していることを確認します。これにより、エネルギー ハーベスティング システム全体が、現在の環境条件で可能な限り最高の効率レベルで動作できます。BQ25505は、バッテリー監視と多重化も備えており、充電可能なプライマリ バッテリーの低電圧レベルと過電圧レベルをプログラムできます。バッテリーが低充電状態になると、BQ25505は、プライマリ バッテリーが損傷しないように、充電不可能なセカンダリ バッテリーに動作を切り替えることができます。 BQ25505EVM 評価モジュールは、BQ25505のすべての機能を有効にし、設計開発中に回路の監視とコンポーネントの変更を容易にするテスト ポイントとジャンパーを提供します。
TIは、統合MCUとサブ1GHz無線を備えたエネルギー ハーベスティング システムのリファレンス デザインもいくつか提供しています。TIDA-00488設計は、ワイヤレス センサーが現在の温度、湿度、自然光環境に応じてHVAC、照明、その他のシステムを制御する機能を強調しています。この設計の用途には、発生している自然光の量と太陽光の増加に基づいて室内照明やHVACを調整する省エネ システムが含まれます。このシステムは、TIのBQ25505を使用してエネルギー ハーベスティングを活用します。BQ25505は、TI SimpleLink CC1310超低電力ワイヤレスMCUおよびいくつかのTIセンサーとペアになっています。IXYS IXOLAR高効率SolarBitセル (部品番号KXOB22012X1L) によって駆動され、全体的な設計は、ほとんどの照明状況で電力を供給できるほど効率的です。
2番目のリファレンス デザインでは、屋内光エネルギー ハーベスティング設計に基づく、メンテナンス不要のBluetooth Low Energy (BLE) ビーコン サブシステムの概要を示します。TIDA-00100設計では、TIのBQ25505とCC2541を組み合わせて、ビル オートメーション、スマート リテール、スマート サイネージ、近接マーケティング向けのBLEビーコンを提供します。この設計は、250 LUXという低い屋内周囲照明でも動作できるほど効率的で、ビーコン送信中に必要な補助電力を供給できるエネルギー リザーバーを提供する8mFスーパー コンデンサを備えています。
BQ25504 と BQ25570 は、TIのその他の人気の高いエネルギー ハーベスティング ブースト チャージャーICです。BQ25504はBQ25505に似ていますが、セカンダリ バッテリー インターフェイスを、システム負荷を有効または無効にしたり、接続されたマイクロコントローラーを低電力状態にしたりするために使用できるプログラム可能なBattery-Good出力フラグに置き換えています。BQ25570は、BQ25504の機能にセカンダリ バック コンバーターも追加します。このバック コンバーターは、セカンダリMCUホスト コントローラー、センサー、または無線通信モジュールに電力を供給するために使用できます。 TIDA-00242エネルギー ハーベスター リファレンス デザインは、BQ27707とソーラー パネルを活用して、超低電力アプリケーションに必要なマイクロワットからミリワットの電力を取得および管理します。蓄電方法は、MPPTトラッキングを使用して4つの直列低電力ソーラー エレメントによって充電および維持される47nFスーパー コンデンサです。
bq25570を使用した最近のリファレンス デザインとしては、エネルギー ハーベスター ブースター パック リファレンス デザイン TIDA-00588 があります。この設計では、さまざまな電流源やオンボードの太陽電池からエネルギーを収集し、低電力の TI LaunchPadに電力を供給できます。このボードには、47mFスーパーコンデンサ、LIR2032コイン型電池、外部バッテリーコネクタの3つの保存方法があります。
TIは、太陽光発電装置の他に、熱電発電機のリファレンス デザインも提供しています。 このTIDA-00246は、60nAで動作する完全にプログラム可能なステート マシンであり、システムの必要に応じて主要な機能を有効または無効にして、電力消費を最適化できます。
TIのナノパワーエネルギーハーベスティング技術により、今日最も効率的な低電力設計が可能になります。 TIは、低い静止電流と90% を超える変換効率を特徴とする複数のデバイスを備え、太陽光、熱電、圧電、その他のエネルギー源を使用して、さまざまなアプリケーションで自己駆動型およびバッテリーベースのデバイスを実現します。
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