エネルギーハーベスティングとワイヤレスセンサネットワーク

近年、エネルギーハーベスティングという言葉がよく聞かれるようになりましたが、私たちの身の回りから得られるエネルギー量はそれほど大きなものではありません。実際に実験してみても、1mW以下のエネルギーを対象にしている事例がほとんどです。
このような小さなエネルギーで動作するものは限られるのですが、ワイヤレスセンサネットワーク (WSN) のエネルギー源として使うと、これまでのWSNの弱点を補うことができそうなこともわかってきました。
ここでは、ムラタの取り組みについてご紹介します。

エネルギーハーベスティングとは

エネルギーハーベスティングとは、私たちの身の回りにあるエネルギーを集めて電気に変換し、小さな機器を動作させるまでの一連の流れを指しています。燃料を使えばたくさん発電できることはわかっていますが、そのような発電は対象にしていません。また、人間が作業をするような場合でも、意識して発電するというようなものは対象にしません。"無意識"というキーワードを大切にしています。

エネルギーをたくさん回収するために、元のエネルギー源に大きな負荷をかけてしまうと一体どこからエネルギーを取り出しているのかよくわからなくなるようなことも起こり得ますので、常にどこからエネルギーが来ているのか注意する必要があります。はっきり言って、エネルギーハーベスティングで大きな電力を取り出すことは不可能だと思います。たくさん取り出そうとすれば機器が大きくなりすぎたり、コストが高くついたりしてあまり現実味のないものが出来上がってしまいます。

ですから動作させる機器の消費電力も減らし、小さなエネルギーを"有効活用"することによって初めて成り立つものだと考えています。
Small amounts of energy around us converted to electric energy operating devices

身の回りにあるエネルギー

身の回りにあるエネルギーを並べてみると、図2のようになります。エネルギーの単位はジュール[J]で、1Jは1W秒です。こうして並べてみると実際に身の回りにあるエネルギーがどれほど小さいかがわかると思います。また、使いたい機器のエネルギーがどれだけ大きいかも理解できると思います。エネルギーハーベスティングで携帯電話のバッテリーに充電できないかという質問がよくあります。

しかし、図2右を見てもらえれば、なかなか難しいことを理解してもらえると思います。また、人間が頑張って発電して家庭の電気を賄えないかというような質問もよくあるのですが、1日の食事量から考えても人体が生み出すエネルギーはそれほど大きくありません。しかも4分の3は基礎代謝ですから、結局発電できる量はそれほど大きくありません。実際のところ、"無意識"で発電できる量は1mJ以下になってしまいます。これを"有効活用"することこそが、エネルギーハーベスティングで最も重要なことだと考えています。

Fig. 2 Energy comparison

図2: エネルギーの比較

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