テクノロジーは、低電力ネットワーク、医療用インプラント、ウェアラブル、ロボット、モバイル デバイスなど、低エネルギー アプリケーションへと向かう傾向にあります。バッテリー 低電力デバイス、遠隔地でのアプリケーション、医療用インプラントでは、寿命が常に考慮されます。この記事では、太陽光、熱、動きを利用したエネルギーの収集を含むスマートなエネルギー管理について説明します。日常生活や緊急時に使用できる持続可能で再生可能なエネルギー源を持つことは可能でしょうか?
エッジでのエネルギー調達の問題
の成長 モノのインターネット (IoT) 非常に堅調であるため、シスコが2020年までに500億個のIoTデバイスを予測するという初期の予測は、ますます実現可能になりつつあります。しかし、IoTの拡大は物流のボトルネックを引き起こすことになります。
たとえば、バッテリーの大量生産には多大なコストがかかります。また、これらのIoTデバイスに電力を供給するのに十分なバッテリーを生産するために必要な原料リチウムの量は、世界の年間リチウム生産量をはるかに上回ります。さらに、すべてのIoTデバイスにこれらのバッテリーを設置して交換するには、膨大な、おそらくは拡張不可能なコスト、時間、労力が必要になります。ある計算によると、バッテリー駆動のIoTデバイスが1兆個あり、バッテリーの平均寿命が10年である世界でも、毎日バッテリー交換が必要なIoTデバイスは2億5000万台以上あることになります。さらに、廃棄された古いリチウム電池は環境に大きな負担をかけます。
多くのデバイスが遠隔地やアクセスが困難な場所に設置されることも、課題をさらに複雑にします。遠隔地の例としては、油田や風力タービンなどが挙げられます。あるいは、心臓病患者の胸腔の場合を考えてみましょう。医師はペースメーカーを手術で設置し、後に交換する場合もあります。
デバイスのエネルギー消費を抑えることで、バッテリーの寿命を延ばすことができます。たとえば、 Bluetooth Low Energy などの技術で作られた集積回路や センサー は、消費電力が極めて低くなっています。また、必要なときだけセンサーを起動して短時間でタスクを実行する「ウェイクアップタイマー」により、消費電力を最大1,000分の1に削減できます。
さらに、バッテリー容量を増やすこともできます。たとえば、 他の研究者と協力し、 ノキア ラボは、現在のバッテリーの2.5倍の寿命を実現する新しいバッテリーを開発しました。
最後に、誘導充電またはワイヤレス充電を使用して、エネルギーをIoTデバイスにリモートで転送できます。たとえば、最初の埋め込み型ペースメーカーは 充電式でした。しかし、これらの充電式ペースメーカーは頻繁に交換する必要がありました。また、患者がペースメーカーの充電を忘れた場合、生命を脅かす結果となる可能性があります。
結局のところ、エネルギー効率やバッテリー容量の向上は、バッテリー交換の必然性を解決するものではなく、それを遅らせるだけなのです。
再生可能な解決策を求めて
そのため、周囲の環境からエネルギーを収集できるバッテリー不要のIoTデバイスが必要です。
太陽エネルギー
太陽エネルギーは、太陽放射、つまり光起電力エネルギーを収集し、それを電流に変換する確立された技術です。バッテリーレスIoTに太陽エネルギーを適応させる際の主な課題は、小型化と柔軟性です。
アルタ・デバイセズは、ガリウムヒ素と呼ばれる材料を使用した太陽光発電パネルを開発しました。同社のミニパネルは、従来のパネルよりも効率が高く、薄く、軽量で、柔軟性に優れていると言われています。Alta Devices社は、大気の科学的分析用の電磁気、放射線、慣性センサーを搭載した小型の低コスト衛星に自社の太陽電池を電力として利用しています。IoTデバイスに取り付け可能な小型で低電力のソーラーパネルを開発している他の企業には、Voltaic Systems、 ON Semiconductor、Ribes Tech、e-peas、EnOcean、Everactiveなどがあります。これらの企業の中には、さまざまなIoTデバイスに容易に適応できるフレキシブル パネルを製造しているところもあります。特に、Everactiveは薄暗い部屋でも太陽エネルギーを収集できます。
一方、Exeger は別の光収集ルートを採用しています。植物のクロロフィルのように光子をエネルギーに変換するナノ材料を使用します。
体温（体温）
現在、業界で生成されるエネルギーの30% 以上が廃熱によって失われています。したがって、工業プロセスや自動車で収集できるエネルギーは相当な量になります。
熱を集める方法はいくつかあります。DC-DCコンバータ とペルチェ素子によって実現される自己給電式加熱バルブは、電子機器にエネルギーを供給するためにわずか2°Cの温度差を必要とします。熱エネルギーは、一定の温度を電気エネルギーに変換する結晶などの熱電材料を通じても得られます。
たとえば、The Face CompaniesのEvercell熱エネルギー収集装置は、周囲温度が絶対零度以上であれば、材料内の温度差を利用して発電します。e-peas、EnOcean、 Everactive などの他の企業も、温度差からエネルギーを収集する技術を開発しています。
医療分野では、研究者たちは人体の熱を電圧に変換して医療センサーに電力を供給する熱電発電機の開発に取り組んでいます。最後に、別の研究室では、人体の温度差が5 ℃ の部位から電力を供給されるペースメーカーの開発に取り組んでいます。
モーション
運動からエネルギーを得る方法は数多くあり、その中には機械的エネルギー、振動エネルギー、波動エネルギーなどがあります。
機械的エネルギーは圧電材料を通じて収集され、圧電材料は機械的刺激に反応して電荷を蓄積することで圧力から電気を生成することができます。大日本印刷のキャスタービーコンは電池不要です。キャスターは電磁誘導型回転発電ユニットとビーコン回路で構成されています。キャスターが回転している間、ビーコンを操作するための回転エネルギーを生成します。また、中国の研究者グループは、心拍からエネルギーを集める自己発電ペースメーカーを開発した。これまでのところ、ペースメーカーは豚でのみテストされている。
ほとんどの産業現場では機械からの振動が多く発生します。ほとんどの振動からエネルギーを抽出し、電気力学的収穫装置によって電気に変換することができます。たとえば、ReVibe Energyは、振動源が常に存在する航空、産業、鉱業、鉄道などの分野で応用できる振動駆動センサーを開発しています。EnOcean、Everactive、e-peasなどの他の企業も、振動エネルギーを収集する製品を開発しています。
圧電アプローチにより、海の潮汐からエネルギーを抽出して電気に変換することもできます。
沖合石油掘削装置の水中ポンプに圧電デバイスを組み込むことで、波からエネルギーを収集することが可能になります。収集されたエネルギーはIoTセンサーに電力を供給するために使用できます。このようにして、ポンプの状態を監視するIoTセンサーに電力を供給し、データを収集して送信できるようになります。あ MITの研究室も圧電アプローチを使用して、水中探査用のバッテリー不要のセンサーを開発しました。
電波とテレビ信号
電波は電磁放射の一種です。電磁エネルギーは宇宙に豊富に存在し、衛星局、無線インターネット、ラジオ局、デジタルマルチメディア放送など、さまざまな発生源から発生します。
無線周波数エネルギーを収集する電力システムは、アンテナと整流回路で構成されています。収集システムは、電磁エネルギーを捕捉し、交流電流または直流電流に変換することができます。
Wiliotのバッテリー不要のBluetoothタグは、周囲の環境にある周囲の無線周波数エネルギーからエネルギーを収集することもできます。Everactiveも同様の製品を開発しています。最後に、 e-peasはさまざまな無線周波数源からエネルギーを回収する技術を開発しました。
ワイヤレス充電
周囲の環境からエネルギーを収集することが不可能な場合は、外部ソースからIoTデバイスにエネルギーを伝送することが代替手段となる場合があります。たとえば、Wi-Chargeのコンパクトで長距離のワイヤレス充電器は、標準の電源ソケットに差し込むだけで、30フィート離れた場所にあるIoTデバイスに電力を送信できます。これらのリモートワイヤレス充電器により、電源コードやバッテリー交換が不要になります。
先に述べたように、ワイヤレス充電可能なペースメーカーの開発に向けた取り組みは、最近大幅に再開されました。ライス大学とテキサス心臓研究所の共同チームは、外部バッテリーパックから送信される無線周波数エネルギーを収集するバッテリー不要のペースメーカーを開発した。この戦略により、老朽化したバッテリーを手術で交換する必要がなくなりました。また、この方法では、外部のメカニズムによってペースメーカーへの無線周波数エネルギーの送信を制御できるため、患者がペースメーカーの充電を忘れるという問題も克服されます。
今後の動向と課題
バッテリーは長年存在してきました。バッテリーフリー化には長期的なメリットと持続可能性が伴いますが、エネルギー収集技術の実装には先行投資が必要になります。さらに、対処する必要がある潜在的な問題もあります。
バッテリーレスシステムで収集するエネルギーとして最も安定したものを選択することはできますが、それでも潜在的な停電に備える必要があります。したがって、バッテリーレスIoTシステムは、可能な限りエネルギー効率を高める必要があります。たとえば、Jeeva Wirelessの無線通信プラットフォームでは、従来の無線に比べて電力が10,000分の1に削減されています。また、各感知送信サイクルを完了するために必要なエネルギーと必要な繰り返し間隔を分析するスマート センサーも必要です。これにより、サイクルを実行するために十分な電力が確保されることを保証できます。
もう一つの課題は、IoTデバイスのバッテリー以外のコンポーネントの寿命とパフォーマンスを向上させることです。特にペースメーカーのバッテリー寿命を延ばす取り組みは、他の部品よりも長持ちするバッテリーを開発しても意味がなかったため、普及しませんでした。部品の1つが機能しなくなると、システム全体を交換するための手術が必要になるからです。したがって、電源システムの進歩がIoTデバイスの他の部分の進歩と密接に一致していることを確認することが重要です。
