エナジーハーベスト技術がIoT社会実現に必須になりえる理由

組み込みエンジニア

こんにちは、ENGかぴです。

エナジーハーベストは自然エネルギーを利用して発電する技術です。IoT社会の実現のためにIoTモジュールを動作させるための電源が必要になります。IoTモジュールと親和性が高いと考えられるエナジーハーベストについて記事にしました。

エナジーハーベストがIoT社会実現に必須になりえる理由

エナジーハーベストは環境発電であり後述しているように代表的なものとしては太陽光発電・風力発電・水力発電・地熱発電などがあります。これらを利用してエネルギを確保するとなると大規模なシステムが必要になります。

今回対象として考えたいのは大規模なシステムではなくIoTモジュールの電源としての小規模なエナジーハーベストです。エナジーハーベストによる電源の確保とIoTモジュールの関係について考えてみます。

エナジーハーベストが求められる理由

IoTモジュールは各企業がしのぎを削って開発を行っています。LPWAなどのIoTモジュールは遠隔地に設置し情報を収集したいという需要にこたえていく必要があります。

電源の設置が難しい場所においてセンサーの情報を取得したい場合、低消費電力のモジュールでなければ頻繁に電池の交換が必要になってしまいます。

IoTモジュールを可能な限り電池一つで長持ちさせる必要があるため低消電力となるモジュールが求められています。

IoTモジュールを使用した製品を開発する場合、製品の電池交換のための作業工数や遠隔地での作業に対する費用を負担することになるため、電源の確保は重要な問題になります。

電源の確保の方法の一つとしてエナジーハーベストによる発電を利用し電池レスでIoTモジュールが自己発電して必要なときだけ情報が収集できるシステムを検討することは電源について検討する際に重要な要素になりえます。

現在の技術では太陽光パネルを使用したとしても電池レスでの動作は難しいのが現状です。現状ではエナジーハーベストは電池の補助の程度に使用して電池とエナジーハーベストのハイブリッドで電源を生成することが最適であると言えそうです。

長距離通信(LPWA)とエナジーハーベスト

LPWAはIoT社会を実現するために必須といえる技術です。中距離通信においてはZigBeeやBluetoothがメインでしたが、半導体の進化に伴って省電力化が進みLPWAが注目されるようになりました。下記記事にLPWAの特徴をまとめています。

LPWA通信のメリットやデメリットの特徴とIoTとの関連性

電池一つで数年の稼働が可能ですが、検証したところ後述しているZigBeeモジュールよりも消費電力が大きくエナジーハーベストによる電源のみの動作は難しいという印象です。

LPWAは長距離通信であるため遠隔地に設置される可能性が高いことからもエナジーハーベスト電源とのコラボが重要であると考えていますが、エナジハーベスト電源とコラボさせると周辺回路が複雑になりコストが余計にかかってしまうかもしれません。

通信頻度とエナジーハーベストによる余剰電力のチャージのバランスが取れるようにするにはエナジーハーベストによる電源の不安定性を考慮すると難しいため電池による動作がメインとなりそうです。

中距離通信(ZigBee、Bluetooth)とエナジーハーベスト

中距離通信であるZigBeeを使ったIoTモジュールにはモノワイヤレス社のトワイライトがありトワイライトをエナジーハーベスト電源で起動させるソーラー電源管理モジュールがあります。

「無線タグアプリ」を使用することで室内光においても通信ができるほど消費電流の動作が可能です。下記リンクではトワイライトをエナジーハーベスト電源で動作させるために検討したことやソフト開発で試したことなどをまとめています。

トワイライト(TWELITE)のソフト開発と無線通信を楽しむ

間欠動作のタイミングを検討し必要なときだけ通信を行うようにシステムを構成することで消費電力をさらに抑えることができるようになります。

中距離通信であるZigBeeやBluetoothにおいてデータ数を絞り込むことで消費電流を抑えることでエナジーハーベストによって確保した電源で対応することは可能ですが、データの送信頻度をあげたりデータ量を増やすと電力が賄いきれなくなります。

ZigBeeモジュールやBluetoothモジュールを不要な時効率よくスリープさせながら消費電流を抑えることでLPWAよりも低消費電流となるためエナジーハーベスト電源とのコラボができそうな印象です。

エナジーハーベスト用の電源開発

エナジーハーベストによる電源はかなり微小であることが多くIoTモジュールを起動できるだけの電圧が確保できないことがあります。エナジーハーベスト用のDCDCコンバータが製作されてモジュール化されたものがあります。その一部について紹介します。

リコーのR1800シリーズ

日本の企業でありリコーといえばコピー機のイメージがあると思います。リコー電子デバイスはIoT機器向けのICを開発しておりIoT社会実現のためにエナジーハーベストによる電源が不可欠ということもあり開発を行っているようです。

リコー電子デバイス株式会社ーエナジーハーベスト技術を支える電源IC

R1800シリーズの特徴は静止電流(スリープ電流)が144nAであることです。また10uA時の効率が90%と高効率であるのも良い点です。

負荷となるIoT機器が起動する際のスタートアップ電流によって瞬時に電流を消費しますが高効率のDCDCコンバータでなかった場合、出力電圧がドロップしやすくなりIoTモジュールが起動できなくなることがあるからです。

例をあげるとDCDCコンバータAが10uA時の効率が60%であったとします。入力電圧がDC2Vで入力電流が10uAすると消費電力は20uWとなりますが、効率が60%であるため負荷側には12uWの電力が供給できる限界になります。

負荷側の電圧がDC3.0Vとすると4uAが負荷に供給できる最大の電流になります。

R1800シリーズでは効率が90%なので負荷側の電圧がDC3.0Vとしたとき18uWの電力が負荷に供給できるので6uAが最大の電流になります。

エナジーハーベストによる電源はかなり微小であることが多く数uAの差が大きく出ることから低電流時の効率が大きく取れることはかなり有利に働きます。

一つだけ残念な点を挙げるとするなら入力電圧範囲がDC2.0Vとなっていることです。エナジーハーベストの中でも微弱である電波によるエナジーハーベストの場合DC2.0Vを生成することが難しいからです。そのため光や振動発電素子向けとなっているようです。

日本はセンサー分野において最先端を行っていることからIoTモジュールとコラボが期待できるエナジーハーベスト電源ICを日本のメーカーが開発していることは素晴らしいと思います。

TIの電源

アメリカのTI(テキサスインスツルメンツ)はIoTモジュールの低電力化のためのエナジーハーベスト用の電源チップを開発しています。

現在のIoTモジュールは最低電圧がDC2.0V~DC3.0V付近のものが多いことから微弱な電圧からDC2.0V~DC3.0Vまでを生成できる昇圧コンバーターは需要があります。

太陽光発電は光の当たり具合によって電力が取れることもありますが、多くの場合電力が取れないことからハーベスト用の電源チップが有効になります。TIはIoT社会の実現と5G通信とのコラボによって市場が拡大することを見越して開発と量産をしているようです。

TIのチップは現在日本の代理店を絞っておりマウザーやデジキーに絞っての購入となっています。

TIのチップのカタログを見ると周辺回路にインダクターやコンデンサなどを実装することが推奨されています。これらを含めて実装してモジュール化して提供してくれている製品があります。

ストロベリー・リナックス社がモジュールとして周辺回路を含めて製品化しています。分類別で見たときエナジー・ハーベスティングの欄がありここで昇圧コンバータが用途に応じて探すことができます。

ストロベリーLinuxーエナジーハーベスト電源

小型で使いやすく試作検証するには良い製品群だと思います。

実際にIoTモジュールの電源の検討のためにTPS61291モジュール購入し使用していますが低電圧時の効率が良く使い勝手が良いと感じています。

エナジーハーベストとは

エナジーハーベストは簡単に言うと環境発電になります。自然エネルギーを利用して発電する技術になります。

代表的なエナジーハーベストとしては以下のような技術があります。

  • 光発電・・太陽光や蛍光灯などで発電します。
  • 熱発電・・地熱発電など熱を利用して発電します。温度差を利用したゼーベック素子(ペルチェ効果)を利用した発電が主流です。
  • 振動発電・・圧電素子(ピエゾ効果)などを利用して発電します。道路などの振動を利用してエネルギーを得るものもあります。
  • 電磁波発電・・電波を利用して発電します。電波が飛び交う世の中なので電波から電力が取れることを期待しまものです。
  • 風発電・・風力発電など風の力を利用して発電します。

エナジーハーベストの今後はどうなる?

大規模なエナジハーベストによる発電は環境問題の観点から進むように思われてきましたが、主要メーカの動向を見てみると限界がありそうです。

太陽光発電は、2012年の東日本大震災によって再び注目を浴びることになりました。福島事故の混乱から菅元首相が推進しましたが、推進を急ぐがあまり世界標準を大きく上回る価格での運用となっています。下記記事に再エネ賦課金の負担についてまとめています。

FITの見直しで電気料金の負担が軽減されることへの期待

太陽光バブルもはじけ台風で飛ばされて使い物にならない太陽光パネルは産業廃棄物となり処理に困るようになっています。一部は中国の業者が施工していた部分もあり連絡がつかず処理もできない問題が発生しています。

原発をなくし環境問題にも対応しようと太陽光パネルを設置したものの産業廃棄物だけが大量に残ってしまい環境破壊の要因になっているのが皮肉だと言えます。

風力発電は風を利用するため問題なさそうですが、風のエネルギーを奪うため植物の種子や花粉が飛ぶエリアが狭くなるため生態系を破壊してしまうことになります。

風力発電事業撤退が相次いでいたことを考えると利益が確保しにくい発電であったともいえます。風力発電に関しては国内で唯一残っていた日立製作所も風力発電事業を撤退しています。

水力発電に関しては揚水発電が有効ですが、ダムによってせき止められた水が枯葉や虫の死骸などが腐敗し沈殿しているような水を放流するため環境破壊の要因になることがあります。しかしダムは治水の問題から必要不可欠であることから水力発電に関しては今後も技術的な問題点を解決しながらも発展していくと思います。

エナジーハーベストの可能性

小規模なエナジーハーベストに関してはIoT社会が進むにつれて可能性が見いだせると思います。実際に、IoTモジュールをエナジーハーベスト(太陽光パネル)で電池レスで動かして通信するような製品が販売されています。また電波や発電素子を使ったエナジーハーベストについて大学が研究を行っている事例があります。

LPWAなどのIoTモジュールは人がメンテナンスしにくい箇所や遠隔地に設置したい需要があります。ボタン電池一つでも数年動作できるようにIoTモジュールメーカーも必死に開発を進めていますが、数年で電池交換が必要なのは変わりません。

エナジーハーベストによる研究が進めば、低電力化に成功したIoTモジュールの電源として使用できるようになるかもしれません。

小規模なエナジーハーベストはIoT社会実現のために必須である技術であり可能性がある分野だと思います。

関連リンク

エナジーハーベストについてバックアップ電源を考えたことやトワイライトを太陽光パネルで動作させての検証やソフトをMWSTAGEの環境で開発して無線通信したことなどについてまとめています。興味があればご覧ください。

LPWA通信のメリットやデメリットの特徴とIoTとの関連性

電気二重層コンデンサの静電容量によるバックアップ時間の考え方

トワイライト(TWELITE)のソフト開発と無線通信を楽しむ

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最後まで、読んでいただきありがとうございました。

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