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"電池不要"の世界が動き出す

エネルギー・ハーベスティング(1)

 人や橋梁(きょうりょう)の振動,室内の照明光,クルマの廃熱,放送の電波――。こうした身の回りに存在するエネルギーから得られる小さな電力で電子回路を動かそうという「エネルギー・ハーベスティング」に今,世界の技術者が熱い視線を注いでいる。電力は非常に小さいものの,用途によっては1次電池も充電も必要なく動作し続けるという利便性があるからだ。周辺部品の特性が向上したことで応用範囲が急速に拡大している。それをけん引するのは,高効率で低消費電力な無線ICである。本連載では,エネルギー・ハーベスティングの今を全4回にわたって解説する。

振動や光,熱,電磁波など,身の回りの小さなエネルギーを"収穫"して活用する技術「エネルギー・ハーベスティング」。普段は捨てられてしまうような,ごくわずかなエネルギーを有効活用しようというこのコンセプトに今,大きな注目が集まっている(図1)。

「エネルギー・ハーベスティング関連機器の市場規模は,2010年の6億500万米ドルから2020年には44億米ドルまで広がる」(英IDTechEx社,参考文献1)。「2009年の市場規模は7950万米ドル。これが年率73.6%で成長し,2014年には12億5400万米ドルに達する」(米Innovative Research and Products社,参考文献2)――。

最大のウリは「電池レス」

エネルギー・ハーベスティングは別名「環境発電」とも呼ばれ,さまざまな場所で発電できるという利点がある。ただその一方,得られる電力は非常に小さい(表1,参考文献3)。1台の発電デバイス当たりの発電量は,μWオーダーにとどまるものが大半を占める。「スマートフォンに取り付けたら充電が要らなくなる」,というほどの大きな電力が得られるわけではない。

【参考文献】
1)Harrop, P. et al., Energy Harvesting and Storage for Electronic Devices 2010-2020, IDTechEx Ltd., Jul. 2010.
2)Innovative Research and Products, Inc.,ULTRA-LOW POWER(MICROWATT)ENERGY HARVESTING FOR WIRELESS SWITCHES AND WIRELESS SENSOR NETWORKING TYPES, APPLICATIONS, NEW DEV ELOPMENTS, INDUSTRY, Apr. 2010.
3)Roundy, S. et al., "A study of low level vibrations as a power source for wireless sensor nodes,"Computer Communications 26, Issue 11, pp.1131-1144, Jul. 2003.

微小な電力しか得られないにもかかわらず市場拡大に熱い期待が集まっているのは,その"高い利便性"にある。エネルギー・ハーベスティングの最大のウリは,この仕組みを導入した機器では,1次電池の交換や配線,メンテナンスといった手間が不要になることだ(図2)。いわば,「ローパワー」ではなく,「ノーパワー」にできるということである。

こうした利便性を享受しようと,じわじわとその導入先は広がりつつある。例えば,2010年11月3日に開館となる千葉市のホキ美術館は,エネルギー・ハーベスティング技術によるスイッチ(音声ガイダンス用)の導入を決めた。既に設置を完了しているという。

制御信号は無線でやりとりするため,スイッチ用の新規配線は不要だ。頻繁に展示物のレイアウトを変更する美術館などにおいては,電源ケーブルなどの配線敷設が大きな負担となっていた。配線フリーという,エネルギー・ハーベスティングの強みが生きた格好だ。

周辺部品が変わった

エネルギー・ハーベスティングのシステムの代表的な動作の流れは,次のようなものだ。まず,(1)エネルギー源を検出して電力を発生させ,(2)収穫した電力を電源回路で変換してコンデンサや2次電池に蓄える。(3)たまった電力を使って制御マイコンやセンサを起動して,(4)処理した情報を無線送受信によって外部に伝達する[注1]。

エネルギー・ハーベスティングの概念は古くからあり,研究の歴史も長い。それがここ最近,急速に導入が拡大しつつあるのは,発電デバイスを生かす周辺部品が進化したためだ。上の例では,(2)~(4)に当たる。そして,これによって適用できるアプリケーションが増えてきたことである。

周辺部品の進化とは,発電した電力を高効率に利用するための電源回路や,信号の送受信に利用する無線IC,制御マイコン,センサなどが大幅に低消費電力化したことを指す(図3)。これまでは,発電デバイスがせっかく電力を収穫しても,こうした周辺部品の自己消費で使い切ってしまい,所望の機能に利用するには至らなかった。

高効率で低消費電力の回路を持つICが出そろったことで,ようやくエネルギー・ハーベスティングが"使える"段階に入ってきたのだ。 (次回に続く)

[注1](1)~(4)の機能を兼ね備えたユニットの単価は「5万ユニット購入時に12米ドルほどになる」(米Linear Technology社Power Products,Director of Product MarketingのTony Armstrong氏)という。

(日経エレクトロニクス 久米秀尚)

[日経エレクトロニクス2010年9月6日号の記事を基に再構成]

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