モノのインターネット（IoT）を通じて世界がますます接続されるにつれ、エンジニアやシステム設計者はますます大きな課題に直面しています。それは、工場、都市、オフィス、さらには私たちの身体にまで広がる数十億台ものデバイスに、どうすれば確実に電力を供給できるかという課題です。バッテリーのような従来の電源はかさばりがちで、頻繁な交換が必要であり、遠隔地やアクセスが困難な環境では対応しきれないことがよくあります。

そこで登場するのがエネルギーハーベスティングです。これは周囲の環境から環境エネルギーを取り込み、利用可能な電力に変換する画期的なアプローチです。OLCのようなディストリビューターから部品を調達する電気エンジニアにとっても、サプライチェーンの効率化を担う調達担当者にとっても、エネルギーハーベスティングを理解することが不可欠になりつつあります。 

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（エネルギースカベンジングとも呼ばれます）とは、熱、動き、光、電磁場などの外部エネルギー源から少量のエネルギーを取り込み、電気エネルギーに変換するプロセスです。この収穫されたエネルギー源は、IoTセンサーや無線送信機のような超低消費電力の電子機器に電力を供給し、バッテリーや有線電源の必要性を排除または最小限に抑えることができます。

生成されるエネルギーは通常わずかで、多くの場合マイクロワットから数ミリワット程度ですが、特に高効率な部品やスマートなエネルギー蓄積ソリューションと組み合わせることで、組み込みシステムのニーズには十分な場合が多くあります。

それでは、最も影響力のあるエネルギーハーベスティング技術のいくつかと、その仕組みについて見ていきましょう。

熱電発電機（TEG）

仕組み

TEGはゼーベック効果に基づいて動作します。これは熱電気の原理であり、2つの異なる導体または半導体の間に温度差があると、その両端に電圧が発生するというものです。基本的には、熱は素材の高温側から低温側へと流れ、それに伴って電子が移動し、電位が生まれます。

これらのデバイスは、温度勾配への曝露を最大化するように配置された熱電材料の配列で構成されています。両側の温度差が大きいほど、電気出力も高くなります。そのため、望ましい温度勾配への曝露はできるだけ急峻であるべきです。つまり、一方の側はできるだけ高温に、もう一方の側はできるだけ低温にすることが望まれます。もちろん、無理のない範囲でですが。

用途と重要性

産業環境では、機械や設備がしばしば余分な熱を発生させます。このエネルギーを空気中に逃がしてしまう代わりに、TEGはその一部を回収し、組み込み型の監視システム向けの電力に変換することができます。同様に、ウェアラブル機器や医療機器では、TEGは人の肌と周囲環境との温度差を利用してセンサーに電力を供給し、バッテリー交換の必要性を減らすことができます。

エンジニアにとってこれは、低くて変動する入力電圧でも動作できる、高効率なTEGモジュールと電圧調整ICを調達する必要があることを意味します。一般的ではありませんが、TEGのまさに桁外れな応用例が宇宙分野に見られます。放射性崩壊によって発生する熱がTEGを介して衛星、探査機、ローバーに電力を供給しているのです。 「What is Energy Harvesting?」という記事の中で、CircuitBreadはTEGについて優れた概説を提供し、半導体レベルでの動作原理についてもさらに詳しく解説しています。

圧電エネルギーハーベスティング

仕組み

圧電材料は、機械的なストレスを受けると電気を発生させます。これは内部の結晶構造による結果です。これらの材料が曲げられたり、圧縮されたり、振動を受けたりすると、その表面に電圧が発生します。

圧電ハーベスターは、振動や機械的な動きが多い環境で一般的に使用されます。靴底、道路、橋、産業機器などに組み込むことができます。一般的に使用される材料には、水晶、PZT（チタン酸ジルコン酸鉛）、そしてより新しい柔軟性のあるポリマーが含まれます。

用途と重要性

組み込みセンサーを通じて構造的な健全性を監視できるスマートな橋を想像してみてください。電力線を敷設したり、バッテリーを常に交換したりする代わりに、圧電デバイスは交通によって生じる自然な振動からエネルギーを収穫することができます。ウェアラブル技術では、あなたが踏み出す一歩一歩が電力を生み出す可能性があります。生成される電力量は大きくないかもしれませんが、腕時計やその他の小型デバイスの充電を維持するには十分でしょう。

トライボエレクトリック・ナノジェネレーター（TENG）

仕組み

TENGはトライボエレクトリック効果（摩擦帯電効果）に基づいており、異なる材料と摩擦接触することで材料が帯電する現象です。2つの表面が繰り返し接触・分離すると、例えば布同士の摩擦や皮膚の動きなどによって、電荷が蓄積され電圧が発生します。興味深いことに、私たちは何世紀にもわたってトライボエレクトリック効果に親しんできたにもかかわらず、その仕組みの詳細については今なお議論が続いています。少なくとも現時点では！

圧電材料とは異なり、TENGはより幅広い種類の材料、一般的なポリマーを含む材料から作ることができます。この柔軟性により、ウェアラブル機器やテキスタイルに最適です。

用途と重要性

トライボエレクトリック・ハーベスターは、人の動きだけで完全に自己発電する次世代ウェアラブルに向けて研究が進められています。バイタルサインを監視する衣類から、環境の変化を検知する表面まで、TENGはまったく新しい設計パラダイムを切り開く一助となる可能性があります。

RFエネルギーハーベスティング

仕組み

RFエネルギーハーベスティングは、Wi-Fiルーター、携帯電話基地局、あるいはテレビ放送などから発せられる周囲の電磁波から電力を取り込みます。RFハーベスターはアンテナを使って電磁波を収集し、それを整流回路によって直流電圧に変換します。

その出力は通常かなり低く、これまでに説明した他の技術よりもさらに低いことがあります。しかし超低消費電力のアプリケーションであれば、わずかな電力でもコンデンサを充電し、デバイスを断続的に動作させるのに十分な場合があります。

用途と重要性

最も興味深い例の一つが、周囲のRF信号からエネルギーを収穫するRFIDタグです。これらのタグは梱包材に組み込むことができ、製品の鮮度、位置、温度をリアルタイムで追跡することができます。さらに、セキュリティ用途で広く使われる、ますます普及が進むIDカードにおいても、その活用がより多く見られます。

結論：未来を切り開く触媒

エネルギーハーベスティングは、電子機器における電力の考え方に革命をもたらそうとしています。ウェアラブル機器や遠隔センサーから、産業オートメーションやスマートパッケージングに至るまで、より小型で、よりスマートで、より持続可能な新しい製品を実現しつつあります。

エンジニアにとっても購買担当者にとっても、材料から電源管理、蓄電に至るまで、エネルギーハーベスティングのエコシステム全体を理解しているディストリビューターと提携することが、導入を成功させる鍵となるでしょう。結局のところ、エネルギーはそこら中に存在しています。あとは私たちがそれを収穫するだけなのです。