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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(環境発電)は、設置された周囲環境に存在する微弱なエネルギーを発電に利用する技術です。利用するエネルギーは、機械(回転、流れ)運動、熱、電磁波、バイオ化学など様々です。また、適用範囲は、小形電子機器や医療器具における電池代替から、橋やトンネルの安全性の監視のような社会的に重要なインフラストラクチャなどにわたっています。

 本調査レポートは、このようなエネルギーハーベスティング技術の基本から応用について、以下のようにまとめました。


 ☆利用するエネルギーとその変換方法
 ☆エネルギーハーベスティングの適用分野と実施例
 ☆発電素子の材料(誘電体、磁性材料 など)
 ☆電力回収に利用される回路・電圧変換方法
 ☆無線センサネットワークの事例

    □体裁 A4判 298ページ
    □価格 本体68,000円+消費税
    □送料 弊社負担
    □発行 2013年7月

章 目 次

第1章 エネルギーハーベスティング技術の背景
第2章 エネルギーハーベスティングの概況
第3章 エネルギーハーベスティングにおける発電方式と実現方法
第4章 エネルギーハーベスティングにおける発電素子関連材料の動向
第5章 エネルギーハーベスティング(環境発電)における電力回収・電圧変換方式
第6章 無線センサネットワーク(WSN)


詳 細 目 次

 
第1章 エネルギーハーベスティング技術の背景 1
1.1 エネルギーハーベスティングにおける半導体技術とその役割 1
 1.1.1 電子機器、情報システムと電源問題 1
 1.1.2 半導体の発達と電子機器の小型化 2
1.2 エネルギーハーベスティング基本技術の確立 3
 1.2.1 MEMS開発の経緯 4
 1.2.2 MEMSによるセンサ技術の進展(自動車用MEMSセンサの例) 6
 1.2.3 エネルギーハーベスティング(環境発電)とPowerMEMS 8
引用文献
第2章 エネルギーハーベスティングの概況 16
2.1 利用するエネルギーの種類と発電(変換)技術 17
 2.1.1 機械エネルギー(その種類と発電方式) 17
 (1) エネルギー源のエネルギー発生モードとエネルギー形態が同一の場合 18
 (2) エネルギー源の発生モードとエネルギー形態が異なる場合 18
  (A) 「流体の流れ」による発電 19
  (B) 回転体による発電 20
  (C) 人体の動作による発電 22
 2.1.2 熱エネルギー 23
 2.1.3 バイオ化学エネルギー 26
 (1) バイオ燃料電池 27
 (2) 樹木−土壌間のpH電位差 29
 2.1.4 電磁エネルギー 30
 (1) 光エネルギー 31
  (A) 光ダクトシステム 31
  (B) 太陽電池 32
 (2) 電磁波エネルギー 34
  (A) VHF、UHF帯テレビ電波 34
  (B) 900MHz帯電磁波 35
2.2 エネルギーハーベスティング技術の適用分野の動向 37
 2.2.1 移動用、携帯用小型電子機器 37
 (1) 腕時計 38
 (2) 携帯電話、PC 38
 2.2.2 住宅、事務所ビル 39
 (1) 照明等の制御スイッチシステム 40
 (2) ダクトの気温と風速を測定して情報を送る無線センサ 41
 (3) 自己発電型ドアアラームシステム 43
 2.2.3 可動機構部品の状態監視 44
 (1) 車軸軸受(ボールベアリング)状態監視装置 45
 (2) タービンエンジンのベアリング(軸受)状態監視 45
 (3) 自動車タイヤの空気圧監視 45
 (4) 航空機高揚力装置状態監視 46
 2.2.4 防災、環境 46
 2.2.5 インフラストラクチャ(社会基盤) 47
 (1) トンネル用センサネットワーク 48
 (2) 鉄道の線路、鋼鉄道橋用センサネットワーク 48
 (3) 道路橋桁用ワイヤレスセンサネットワーク 49
 (4) 電力線用センサ 49
 (5) 原油パイプライン用ワイヤレスセンサネットワーク 50
 (6) その他 51
  (A) 路面状態判定装置におけるエネルギーハーベスティング 51
  (B) 工事表示システム及び照明用電力の発電 51
 2.2.6 その他 52
 (1) 医療分野 48
 (2) 農業、戦場 48
 2.2.7 エネルギーハーベスティングの適用分野の動向分析まとめ 53
2.3 エネルギーハーベスティングの技術動向 55
引用文献
第3章 エネルギーハーベスティングにおける発電方式と実現方法 65
3.1 エネルギー源と発電方式 65
3.2 機械エネルギーを利用した発電方式 65
 3.2.1 振動エネルギーを利用した発電 66
 (1) 利用される振動エネルギーの特徴 66
  (A) エネルギー発生源と周波数特性 66
   (a) トンネルにおける鉄道構造物の振動特性 66
   (b) 一般道路橋桁における振動エネルギー 67
  (B) 線形振動と非線形振動、共振及び非共振について 68
  (C) 振動エネルギー形態と発電機 70
   (a) 共振型振動発電機の並列運転 70
   (b) 低周波非周期振動エネルギー源による振動発電 71
   (c) 周波数特性にピークがある低周波振動エネルギーを利用した発電 72
 (2) 振動エネルギーを利用した発電例 72
  (A) 圧電発電 73
   (a) 発電用圧電バイモルフの基礎検討 (セラティック・エンジニアリング)  74
   (b)  鋼球で衝撃を加える圧電発電方式 76
   (c) 強制振動における圧電発電 76
   (d) 比較的広い周波数帯域での共振型圧電発電の並列発電 78
   (e) ヘルムホルツ共鳴器を補助システムに利用した共振型圧電発電装置 78
   (f) カオス運動をするペースメーカー用圧電発電機 (ミシガン大学) 80
   (g) ポリフッ化ビニリデン(PVDF)高分子圧電フィルムによる空気流圧電発電 82
   (h) 圧電バイモルフ素子によるブルーム型風力発電装置 84
  (B) 静電誘導発電(エレクトレット) 84
   (a) 10Hz以下の低周波振動による静電誘導発電 (三洋電機) 86
   (b) 有機高分子材料アモルファスフッ素樹脂を使用した静電誘導発電(東京大学) 88
  (C) 磁歪発電 89
   (a) 鉄ガリウム合金(Galfenol)による振動発電(電磁誘導) (金沢大学) 90
   (b) アモルファス金属ガラス(Metglas 2605SC)による振動発電 92
  (D) 磁気電気(ME)発電 93
   (a) Fe-Ni磁歪、PZT圧電材料による磁気電気(ME、Magnetoelectric)複合構造材料 95
   (b) 磁歪-PZT-磁歪積層型変換素子による振動エネルギー発電装置 97
 (3) 振動型電磁誘導発電(直線、ピストン運動) 98
  (A) 橋梁の振動による発電 98
   (a)パラメトリック周波数増加発生器 99
   (b) 直線型電磁誘導発電機による低周波共振発電 102
  (B) ダイアフラムによる発電 105
  (C) 車両サスペンションにおける直線型電磁誘導発電機による振動発電 107
  (D) 河川流における渦励振による電磁誘導発電 108
  (E) 鉄道線路におけるボイスコイル(Voice-coil)型電磁誘導発電 110
 3.2.2 回転エネルギーを振動エネルギーへ転換方式 111
 (1) 非対称に空間配置された片持ち梁(カンチレバー)による圧電発電  111
 (2) ばね−質量系による電磁誘導発電 114
 (3) 1個の振動体で圧電発電と電磁誘導発電を可能にする発電方式 115
 3.2.3 電磁誘導を利用した発電 118
 (1) 回転磁石による電磁誘導発電(自転車の発電機) 118
 (2) off-axis回転による電磁誘導発電 120
  (A) 回転体に回転型電磁誘導発電機を取り付けた場合の発電挙動 121
  (B) タイヤ空気室内に取り付ける回転型電磁誘導発電機(ブリヂストン) 123
 3.2.4 流れを回転エネルギーに変換して発電するタービン発電 126
 (1) 低速の空気流から発電する空気タービン型発電機 127
 (2) 容積型タービンによる歩行発電 129
 (3) 水流を利用した水栓制御用発電機(TOTO) 131
 3.2.5 歳差運動を利用した振動発電 133
3.3 熱エネルギーを利用した発電 136
 3.3.1 熱電発電素子を利用した温度差発電 136
 (1)既存材料における発電特性の改良 136
  (A) ナノ多孔体型熱電発電 136
  (B) 非対角熱電効果を用いた熱発電チューブ (パナソニック) 137
 (2) 絶縁体を利用した熱電発電 139
 3.3.2 焦電発電体を利用した温度変化発電 142
 (1) PZTによる焦電発電 143
 (2) 温度差から温度の時間変化を創出する熱機械型熱機関による焦電発電 144
3.4 バイオ化学エネルギーを利用した発電 147
 3.4.1 バイオ燃料電池の開発動向 147
 3.4.2 酵素バイオ燃料電池 149
 (1) 酵素バイオ燃料電池の動作 149
 (2) 実用化に近い形で試作された酵素バイオ燃料電池(ソニー) 151
 3.4.3 液体の濃度差を利用した発電 156
 (1) pHの電位差を利用した電力回収 156
 (2) 逆電気透析を利用した発電 159
3.5 電磁エネルギーを利用した発電 161
 3.5.1 室内などの低照度光エネルギーを利用した色素増感太陽電池発電 162
 (1) 色素増感太陽電池の動向 162
  (A) 色素増感太陽電池動作原理 162
  (B) セル及びモジュールの発電効率 163
 (2) ポルフィリン誘導体近赤外吸収色素による色素増感太陽電池の性能向上 165
  (A)  ポルフィリン誘導体近赤外吸収色素の吸収光長波長化(東京大学) 165
  (B) ドナー-π-アクセプター(D-π-A)系色素とコバルト錯体酸化還元電解液による色素増感太陽電池 167
 (3) タンデム型、ハイブリッド型による色素増感太陽電池の吸収波長領域の拡大 172
 (4) 室内低照度光利用の発電システム 174
  (A) 室内の光エネルギーを利用した発電システムの検討 174
   (a) 室内の低照度光エネルギーについて 174
   (b) BEMセンサネットワークシステムの消費電力 175
   (c) 太陽光パネルの選択 176
  (B) 単セル太陽電池発電システム  177
 3.5.2 電磁波エネルギーからの電力回収 178
  (1) 電磁波エネルギーの状況 178
  (2) 放送用電波からの電力回収の問題点 180
  (3) 携帯電話周波数帯における電力回収 181
  (4) エネルギーハーベスティングのためのRF-DC変換回路の要件 182
 3.5.3 商用電力線の磁界、電界によるエネルギーハーベスティング 184
  (1) 交流電流交番磁界による電磁誘導変換 184
  (2) 容量結合による電界からのセンサ用電源電力の調達 187
引用文献
第4章 エネルギーハーベスティングにおける発電素子関連材料の動向 200
4.1 発電素子材料としての誘電体、磁性体 200
 4.1.1 誘電体材料の概要 200
 (1) 誘電体の種類 200
 (2) 誘電体と結晶構造 202
 (3) 圧電体 203
 (4) 焦電体 203
 (5) 誘電体、常誘電体、圧電体、焦電体、強誘電体の関係 204
 4.1.2 磁性材料 205
 4.1.3 磁気電気効果とマルチフェロイック複合材料 206
 4.1.4 電界、磁界、応力、熱による固体発電体(誘電体、磁性体)の各種効果 207
4.2 発電素子材料の利用動向 208
 4.2.1 圧電発電材料、焦電発電材料、エレクトレット材料としての誘電体材料 208
 (1) PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)系圧電セラミックス 208
 (2) 強誘電体ポリマー 210
 (3)  エレクトレット材料 211
 (4) その他 212
 4.2.2 振動エネルギー発電における磁性材料、磁気電気複合材料 212
 (1) 永久磁石材料 212
 (2) 磁歪材料 212
 (3) 磁気電気複合材料(マルチフェロイック材料) 214
引用文献
第5章 エネルギーハーベスティング(環境発電)における電力回収・電圧変換方式 219
5.1 エネルギーハーベスティングにおける発電電力の概要 219
 5.1.1 交流電力の発電(振動、回転エネルギー) 220
 (1) 圧電素子、エレクトレットによる発電 220
 (2) 一般道路の橋梁における電磁誘導発電電力 222
 (3) 磁歪素子による発電電力 222
 (4) 電磁波エネルギーの電力 223
 5.1.2 直流電力の発電及び回収 224
 (1) 熱電発電モジュールによる発電電力 224
 (2) バイオ燃料電池及び樹木-土壌間pH電位差発電電力 225
 (3) 低照度における太陽電池の発電電圧 226
5.2 発電電力回収に使用される回路素子、処理回路方式 226
 5.2.1 交流電力−直流電力変換用整流素子、整流回路 226
 (1) pn接合ダイオード、ショットキーダイオードによる整流 226
 (2) MOSFETによる整流 229
  (A) 第3象限における逆導通V-I特性 229
  (B) MOSFETによる整流器の構成 232
 (3) 整流−電圧逓倍方式 233
  (A) コッククロフト・ウオルトン回路(Cockcroft-Walton(CW)回路) 235
  (B) チャージ・ポンプ回路 235
  (C) 2倍圧同期整流方式による整流−電圧逓倍方式 236
 5.2.2 直流電力回収に使用される直流電圧の昇圧、降圧方式 237
 (1) チョッパー式DC−DC変換 238
  (A) 昇圧コンバータ(boost converter) 238
  (B) 降圧コンバータ(buck converter) 238
 (2) チャージ・ポンプ 239
  (A) 昇圧方式 239
  (B) 降圧方式 240
 5.2.3 発電電力回収の技術的要件 242
5.3 交流電力の回収と電圧変換 244
 5.3.1 電圧が比較的高い交流電力の回収 244
 (1) 電圧振幅が数十ボルトの圧電発電電力の回収 244
 (2) 電磁誘導発電 245
 5.3.2 低電圧交流電力の回収と電圧変換 245
 (1) 低周波、低電圧電力の回収 245
  (A) 比較的帯域の広い、低周波、低電圧振動 245
  (B) 一般道路の橋梁 246
  (C) 4倍圧逓倍整流回路 247
 (2) 高周波電磁波電力の回収 248
5.4 低電圧直流電力の回収と電圧変換 249
 5.4.1 単セル太陽電池用昇圧コンバータ 249
 5.4.2 低電圧熱電発電からの電力回収 250
 (1) 0.13μmCMOS微細加工技術による熱電発電 250
 (2) 起動時の外部電力が不要な熱電発電 252
 (3) 低電圧で自己起動開始 254
引用文献
第6章 無線センサネットワーク(WSN) 260
6.1 センサネットワークの概要 260
 6.1.1 センサネットワークの構成 261
 6.1.2 センサネットワークの動向と応用分野 262
6.2 センサノードの電源 263
 6.2.1 センサネットワークの技術的課題 263
 6.2.2 通信プロトコル設計による消費電力の低減 264
6.3 無線センサネットワークへの応用分野 265
 6.3.1 無線センサネットワーク実現への動向 265
 (1) 微小電力用発電機の回路技術 265
 (2) 熱源利用による工場、プラント向け自立電源 267
 6.3.2 小規模無線センサネットワークシステム 269
 (1) 建物の居住空間における空気流測定 269
 (2) 自動車車輪からの路面状態情報伝送 270
 6.3.3 防災分野における無線センサノード 271
 (1) 風速計兼用圧電素子発電機の防災センサネットワーク 271
 (2) 森林火災消火活動支援 272
 (3) 森林火災の初期消火と拡大抑制情報の収集 275
 6.3.4 インフラストラクチャ利用形態 276
 (1) 高速道路高架橋の監視(SHM: Structural Helth Monitoring) 276
 (2) 高速道路高架橋の固有振動数健全性監視 277
 (3) 長距離パイプラインの健全性監視 278
 (4) 線路、トンネルの健全性監視 280
  (A) 無線装置の伝送電力制御によるネットワークの構築 281
  (B) 欧州と日本における鉄道構造物のネットワーク構築 282
   (a) 欧州における地下鉄 283
   (b) 日本における鉄道設備管理 284
 (5) 社会インフラストラクチャ建造物の健全性監視(SHM) 280
6.4 センサと電源を一体化したセンサノードの方式 290
 6.4.1 医療用におけるセンサ・電源一体型 290
 6.4.2 オフイスビル、住宅における事例 293
引用文献

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