エネルギーハーベスティング（EH）とは？

無駄と機会

"ある人のゴミは、別の人の宝物"。特に、データセンターなど、熱緩和ソリューションに多くのスペースと電力を利用するアプリケーション空間では、エレクトロニクス関係者は「廃熱」の処理に多くのエンジニアリングサイクル、費用、さらにはエネルギーを費やしています。この論文では、このような熱源（他のエネルギー源も含む）を、エネルギー回収やリサイクルの機会として説明します。

これまで廃棄物は「いかに捨てるか」が議論の中心でしたが、「利用可能なエネルギーはすべて動力源となる」という視点に立つと、廃棄物に対する考え方や取り組み方が全く変わってきます。米国に限らず、世界的に見ても、原料エネルギーの約3分の2は「廃熱」に分類され、実は大きなチャンスになることをこれから説明していきます。

エネルギー源と負荷の比較

IoT（モノのインターネット）およびIIoT（産業用IoT）に関する以前のブログでは、利用可能なエネルギー（システム電源など）と負荷（システム電力バジェットなど）の適切なバランスを見つけることの重要性について述べ、単に大きな電源を探すよりも、負荷を減らすことに注力する必要性を強調しました。下図をご覧いただくと一目瞭然です。

エネルギー源を分母、システムの電力バジェットを分子として考えてみてください。システムの実行可能性は、この2つが交わる変曲点であり、分母を増加させるよりも分子を減少させる方がはるかに速くなります。言い換えれば、この比率が < 1.0となったときです。



ここで重要なことは、技術的・経済的な観点からシステム、ひいてはアプリケーションを実現するためには、より大きく高密度のバッテリーやより効率的な電力変換ソリューションを見つけることよりも、システムの消費電力を低減し、インテリジェントな電力管理（IPM）技術を実装する設計者の能力の方がはるかに重要だということです。

バッテリーの容量はおよそ 10 年ごとに 2 倍にしかなりませんが、集積回路（IC）やマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）センサーは、ほぼ隔年で消費電力を半減させながら機能を向上させることができるため、バッテリー改良よりもパワーマネジメントを検討することの優位性が証明できます。

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（EH） とは、私たちを取り巻く環境から、無償で周囲のエネルギーを取り込み、変換することです。そのため、「エネルギースカベンジング」とも呼ばれています。私たちは、エネルギー物理学が提供するあらゆる種類のエネルギーを収穫することができます。

• 太陽電池（熱電対、太陽光発電 あるいはPV),
• キネティック（電気力学、振動）,
• 熱電式、圧電式 (機械的誘起),
• 無線周波数あるいはRF（近接場、遠方場）、および
• トライボエレクトリック（静電気）.

どのトランスデューサも事実上潜在的なEHソースですが、本稿では、EHアプリケーション用に最適化されたソリューションに焦点を当てます。

EHモダリティは、その本来の出力により、交流系と直流系に分類される傾向にあります。最も一般的な直流ベースのEHデバイスは、太陽光発電と熱電発電です。交流ベースのEHデバイスは、圧電素子、RF、および振動、タービン、磁気駆動の電気力学的変換器などの機械的に動的なEHソースが一般的です。これらのソースにはそれぞれニュアンスと課題があるため、すべてのパワーマネジメント集積回路(PMIC)は、どのEHソースにも対応できる万能回路ではないことに留意してください。

この数十年でEHは、技術の進歩や実用化への浸透という点で非常に大きな進歩を遂げました。10 年ほど前、特に IoT/IIoT が台頭する以前は、EH テクノロジーについていくつかの誤解がありました。最初の誤解は、EH は有用なアプリケーションにとって無視できない量の電力を生成するというものでした。この問題については、もう少し深く掘り下げることにしますが、前回のエネルギー源と負荷に関する議論と非常に密接に関連するものです。

もう一つの誤解は、EH は量産開発のための生産サプライチェーンとそれを支えるエコシステムが欠如した、単なる学術的な実験であるというものでした。最終的にPower IoTのエコシステムとなったものの構成要素の多く（本稿後半でより詳細に概説）は、今日のようによく知られ、エコシステムで調整される以前から、何年も（何十年も）存在し、産業界のソース（フレッシュなスタートアップから半導体最大手企業まで）から来たものです。EHベースのシステムを成功させるには、EHトランスデューサーからエネルギー貯蔵（バッテリーマネジメントシステム［BMS］）、パワーマネジメント集積回路（PMIC）、最適負荷（マイクロコントローラー、メモリー、無線、センサー、ディスプレイなど）まで、多くの技術的貢献が必要です。

PMICは、EHの電力抽出や電力管理、さらにはBMSを制御し、EHベースのシステムの「頭脳」として機能するため、これらのコンポーネントの中で最も基本的な部分であると言えるでしょう（ほとんどが10×10mm以下のフットプリントで、すべてが簡単に制御できるICです）。EH PMICソリューションは、テキサス・インスツルメンツ社やリニアテクノロジー社（現アナログ・デバイセズ社）などから20年ほど前に発売されていますが、IoTブームには少し早すぎたようです。典型的なPMICのブロック図の一例を図4に示します。現在では、既製品のIoTモジュールも購入可能です。

EH に関する最大の誤解は、おそらく EH の主流化を妨げる要因の一つであるコストに関するものでしょう。費用対効果や総所有コスト（TCO）分析は、システム、アプリケーション、動作環境に大きく依存するため、コスト評価は少し難しいかもしれません。

このような複雑さとアプリケーション固有の分析が、EH技術が多くのユースケースでコスト的に実現不可能とみなされてきた主な理由です。よくある落とし穴は、EH技術の適用前と適用後のBOM（Bill of Materials）コストを比較する一次分析にのみ焦点を当ててしまうことです。

一見したところ、量産時1ドル未満のコイン電池を数ドルのEHソリューションに置き換えることは、持続可能性、信頼性の向上、自己給電展開といった利点があるとしても、あまり論理的ではないように思われるかもしれません。しかし、適切な分析を行うには、二次的な（あるいはそれ以上の）コストへの影響を考慮する必要があります。

このような分析の詳細についてはここでは触れませんが、交換やメンテナンスのコストについては簡単に確認することができます。安価なコイン電池を交換しなければならない場合、例えば、過酷な環境下で困難な場所に到達するための車両や特殊な機器など人の手が必要となり、BOMコストの削減が大幅に損なわれてしまうことになります。

EH技術の使用により、資本支出および運用支出（CAPEXおよびOPEX）の面でさらにコストを削減することができます。

EHではないものは何ですか？

ワイヤレス給電（WPT）は、低電力でテザリングが無いアプリケーション、つまりスマートフォンや時計から歯ブラシに至るまで、機器をワイヤレス充電するために近年よく使用されています。残念ながら、WPTはEHと関連付けられ、最悪の場合、EHと誤認されることもありますが、実情は異なります。他のエネルギー源のアプリケーション用に周囲の遠距離RFエネルギーを捕捉するよう設計されたWPTアプリケーションは、ほとんどありません。

WPTの使用方法の大部分は、直接電源（通常はオフラインまたはコンセント）からの電力変換であり、その「ワイヤ」の1つがたまたま無線リンクであっただけなのです。つまり、RFの「ハーベスティング」ではなく、コンセントからの非常に非効率的な電力転送なのです。つまり、WPTはPower IoTのエコシステムにおいて確かに存在し、多くのEHアプリケーションやユースケースを高度に補完することができますが、その意味を十分に理解しておく必要があるのです。

例えば、WPTは、現実的なエネルギー源が利用できない、あるいはアクセスできないようなアプリケーションで非常に有効です。このようなアプリケーションの例としては、構造物や過酷な環境（あるいは人体内）に埋め込まれたワイヤレスセンサーネットワーク（WSN）などが挙げられます。WPTとEHは、一次電池（充電できない電池）の削減という非常に重要な目的を共有しています。

EHの目的

EHおよびその関連技術の活用によって達成可能な目的・メリットは数多くあります。短期的な観点では、IoT/IIoT機器の急激な増加による一次電池の爆発的な増加を抑制・緩和することがEHの重要な目的です。もし、この10年間に数千億個（場合によっては1兆個）ものデバイスが市場に投入されるなら、1日に1億個以上の電池とその有害物質がほとんど埋立地に廃棄されることになるのです。

二次電池（充電池）やスーパーキャパシタやキャパシタなどのエネルギー貯蔵部品を使用するシステムが増えれば増えるほど、持続可能性への恩恵は大きくなります。EH技術の長期的な展望は、使用されている機器の多く（ほとんどではないにしても）が、無償の環境エネルギー源によって完全に駆動するユートピア世界を想定しているのです。EHがもたらすもうひとつの重要なメリットは、信頼性です。多くの人は、潜在的に断続的なエネルギー源は、システムの信頼性や稼働率の要件と相反するものだと考えるでしょうから、これは直感に反するように感じるかもしれません。

多くの電気エネルギー源が断続的で予測不可能であることは事実ですが（光、風、動きなど）、エネルギー信頼性に関する懸念の多くは、運用環境とシステム設計を十分に理解することで対処できます。適切な種類と量の電気エネルギーを利用し、通常はエネルギー貯蔵と組み合わせ、IPMを使用して許容できる成功確率を確保するのです。

ハイブリッド EH の実装もこの問題に対処するのに役立つことを以下で説明します。ソフトウェア（SW）は、従来のWSN/コンピューティングシステムが間欠的エネルギー源を念頭に置いて設計されていないため、大きな違いを生む可能性がある別の領域です。ただし、SWがエネルギーを認識するよう設計されており、シャットダウンしきい値に達した時に重要なデータを保存し、ターンオンしきい値を超えたときに中断したところから再開する仕様になっている場合、EH電源を適用することは非常に有益で効果的です。

信頼性解析の裏返しとして、EH電源と充電・再生可能エネルギーの貯蔵が可能なシステムは、品質や信頼性に関わるシステム故障の原因となりがちな多くの部品を排除し、永久的に自己発電可能なシステムとなることができます。コネクタ，バッテリーホルダー，スイッチ，配線など，機械的な可動部品を可能な限り排除することは，正しい方向への大きな一歩となります。また、熱応力を緩和するためにシステム全体の電力を削減することも、信頼性の向上に役立ちます。

もちろん、二次電池のようなエネルギー貯蔵部品は、時間の経過とともに容量が減少することは避けられませんが、これは固体ソリューションで改善することができ、容量性エネルギー貯蔵を使用すれば無視できる問題となります。

これらは重要な目的であり目標ですが、結局のところ、実際の製品を市場に出すにはコスト目標が最重要であり、EH技術はコスト要因と相反するように思われます。前述したように、TCOが一次的なBOMコストの比較を超えて十分に拡大されていないため、EH技術の投資回収期間の計算にはギャップがあるのです。以下の「補足力」のセクションでは、EHがどのようにコスト削減をCAPEX/OPEXに拡大し、直接的なシステムコスト指標を超えることができるかについて、さらに議論します。

EHの一般的な形態

EH の世界は、ナノワットからギガワットまでの全電力スペクトルを網羅しています。本稿では主に WSN/IoT/IIoT アプリケーションを中心に議論しているため、ここではスペクトルの下限を中心に説明しています。しかし、持続可能性と気候変動との戦いをリードし、世界のエネルギーのかなりの部分を生み出し増加しているすべてのPVパネルと風力発電機を忘れてはいけません。

EHソリューションの種類はかなり多岐にわたります。太陽電池や風力発電機はメガワットの電力を生み出しますが、手のひらに収まるサイズで室内光源に最適化された太陽電池や、自転車の車輪に収まるサイズでMEMSレベルでも存在する電気力学的発電機も存在するのです。EH のモダリティ、動作原理、および利用可能なソリューションの概要については後続の資料で深く掘り下げますが、EH トランスデューサ、サポートコンポーネント（エネルギー貯蔵など）、および低電力アプリケーションの一例は以下の図 5 に示されています。



下図は、一般的な負荷にEHソースをマッチングさせるための分かりやすい図式比較です。この図は、EHの全領域やアプリケーションをカバーしているわけではありませんが、ごく一般的なアプリケーションとEHを適合させるためのスイートスポットについて、かなり良いアイデアを与えてくれるものです。

さらに重要なことは、記載されたアプリケーションをサポートするために必要なEHの量を指定するため、より現実的なEHとのマッチングが可能になることです。例えば、ある用途にPVが使えるというだけでは不十分で、おおよそのPVパネルサイズと光源照度（屋内か屋外か、光量/ルクスレベルなど）を明記する必要があります。この原理は熱電発電機（TEG）にも当てはまり、TEGの大きさだけでなく、TEGにかかる温度差にも依存します。

さらにハイブリッドかつエキゾチックなEHの形態

EH 技術を活用し、アプリケーションスペースの範囲を最大化する素晴らしい方法の 1 つが、複数のソースを同時 に利用することです。同じ環境内に存在する異なるEHソースを利用することで、ある時点で利用可能なエネルギーを最大化することを試みることができます。多くのEH PMICは、少なくとも2つの異なるEH入力を受け入れるように設計されており、複数の形態のエネルギー貯蔵（すなわち、一次電池と二次電池）もサポートしています。例えば、照明環境下でモーターに取り付けられたWSNは、振動ハーベスティングとPVの入力を利用することができます。

複数の電源に対応する設計を行うもう一つの理由は、環境の変化によるエネルギーの断続性を軽減することであり、特に外部電源に接続されていないアプリケーションに適しています。例えば、体に装着するデバイスは、PVとTEGの両方を内蔵し、屋外では太陽からエネルギーを取り出し（TEGからも取り出せるかもしれませんが、その量は屋外の温度差に依存します）、屋内ではさらに室内の環境温度と体温の差からエネルギーを取り出すことができるかもしれません。

ハイブリッド型EHも存在しますが、これは上の段落で説明したような同時発生源の使用とは異なります。1つのトランスデューサで2つ以上のハーベスティング原理を利用するEHモダリティがあります。この例としては、太陽エネルギー源から取り込んだ熱エネルギー（例えば、赤外線RFエネルギー）をRFハーベスティングするソリューションがありますが、あまり一般的ではありません。

エネルギー密度、コスト、フォームファクタなど、今日の課題を解決するために有望な EH が次々に登場し ています。EHの価値提案は、EHトランスデューサーと電力抽出/ストレージ回路の組み合わせから利用可能なエネルギーの増加よりも、システムの電力バジェットの削減により、時間の経過とともにはるかに速く増加します。つまり、EHソースは今日ほとんどのアプリケーションを使用できませんが、特定のトランスデューサーで使用可能な電力密度の量が変わらない場合でも、明日ははるかに広いアプリケーションをカバーできるのです。

摩擦や静電気の発生源（～10～100μWs）から多くの電力を取り出すことは困難ですが、コンデンサを充電し、LEDに電力を供給するのに十分なエネルギーを素早く取り出すことはできるため、摩擦電気ナノジェネレータ（TENG）はこの良い例と言えます。最近では、LEDに電力を供給できれば、センサー、マイクロコントローラー、無線機を備えたWSNに電力を供給することも可能です。

最近注目されているのは、太陽光発電（またはそれに近いもの）のEH源です。最新の（第3世代の）PVデバイスは完全に商業化されており、セルが特定の波長に調整され（両方の環境で機能する場合でも、通常は屋外または屋内使用のために最適化される）、コスト、効率、および柔軟性のバランスに優れた有機PVです。これらの価値提案は，まだ商業化前の段階にある鉱物ペロブスカイトを組み込んだ次世代太陽電池において，さらなる進化が期待されています[13]。

補助電源

あるアプリケーションのために EH を検討するとき、非常に重要なのはEH はオール・オア・ナッシングの提案ではないと理解することです。設計者は、既存の電源（通常は一次電池）と適切なEHソリューションの間に1対1の関係を見いだせないため、EH技術を自分のアプリケーションに使うことをすぐに断念してしまう場合があります。しかし、補助的なアプリケーションや待機的なアプリケーションには、多くの価値がある可能性があります。もちろん、本稿で何度も強調したように、価値評価はアプリケーションと動作環境に非常に特化したものになり得ます。

たとえば、EHが充電や交換が必要になるまでのバッテリー寿命を 20～30% 延ばすことができれば、1 日中コンセントを入れずに過ごせるか、モバイルシステム（ドローンやEVなど）があと数分空中を飛べるか、10～20 マイル余分に移動できるかの違いが出てきます。また、EHを使用することで、デバイスがより頻繁に、またはより大きなデータをクラウドに送信できるようになる場合があります。

スタンバイ・アプリケーションは、完全にアクティブなシステムの電源プロファイルよりもはるかに低い電力要件を持つ傾向があります。EH は、外部信号を待っているスタンバイ回路に、完全にウェイクアップするためのわずかなエネルギーを提供することができます。システムの主電源がこの目的のためにスタンバイレールも提供する場合、サイズ、重量、および電力（別名 SWaP）の点でコストがかかる傾向があるため、これらの電源が分離されていれば、EH スタンバイ回路の追加コストは、主電源の節約によって相殺（あるいはプラスの投資収益率または ROI）できる可能性があり ます。待機電力が小さい大規模システムの例としては、WoL（Wake-on-LAN）をサポートするコンピュータ・サーバーやWuR（Wake-up Radio）をサポートするIoT制御デバイスがあります。

WPT アプリケーションでは、電力伝送用の無線リンクは、Friis 方程式 [14] で基本的に示されるように、電力損失が送受信間の距離と伝送周波数の増加に伴って急激に増加するため、整流効率が非常に悪い傾向がありま す。したがって、受信無線感度を低くして動作するように受信機の電力を補うと、受信側の電力が節約されるだけでなく、送信側でも電力を大幅に節約することができます。多くの EH アプリケーションと同様に、この補足的なアプローチによってCAPEX と OPEX の両面で上流の電力節約をいかに拡大できるかが明らかになるはずです。しかし、マイクロパワー領域での節約がキロワット、あるいはメガワットの節約につながるかどうかは、あまり明らかではありません。

この価値提案を視覚化するためには、発電から最終負荷までの電力経路をすべて考慮する必要があります。たとえば、大規模なサーバーデータセンターの負荷で数ワットを削減することは、それほど重要ではないかもしれません。しかし、すべてのオーバーヘッド（冷却用の電力、非効率なスタンバイ電源）、電力変換の層（それぞれにマージンが組み込まれ、すぐに積み重なる）、冗長性の層（電源とシステム負荷の両方）、重要なバックアップ用のエネルギー貯蔵などを考えると、その数ワットはOPEX（電力コスト）とCAPEX（最大または定常状態の電力消費を少なくするためのサイジングによるインフラ全体の削減）で大きな節約となる可能性を秘めていることが分かります。

環境に優しい未来と電力IoTエコシステムの実現

ここでは、EHに関連する数多くのメリット、価値提案、アプリケーションの考慮事項および誤った認識について説明しました。また、EHデバイスとそれをサポートするデバイス/システムを組み合わせて、パワーIoTエコシステムを構成することについても簡単に説明しました。理想的には、一次電池をなくし、全体的なエネルギー消費量（したがって炭素と水）を減らすなど、いくつかの直接的な方法でEHがより持続可能な未来を実現できることは明らかなのです。

ここからは、EHの二次的影響、さらには三次的影響のあまり明確になっていない領域を調べ、システム/デバイスの統合エネルギーの改善を促進する能力など、「ゆりかごから墓場まで」、つまり原材料の調達から製造、現場での使用、使用済み製品やリサイクルまでの完全で包括的なエネルギー影響について検討していくことにします。

パワーIoTのエコシステムは常に成長し、EH技術、アプリケーション、および教育を主流市場にもたらすために協力することを重視する利害関係者のグループとして、ますます組織化されてきています。このエコシステムを定義し、組織化し、永続させる上で重要なグループは、Power Sources Manufacturers Association（PSMA）のエネルギーハーベスティング委員会（EHC）[15]です。PSMA EHCは、2021年に無料のオープンアクセスホワイトペーパー[16]を発行し、持続可能性に焦点を当てた、IoTのためのEHの広範囲な概観を提供しています。

EHを用いたデザイン

このテーマに関する詳細な情報については、多くの既存資料があります。EH対応システムのすべての構成要素（トランスデューサーの接続、PMIC回路のレイアウト、エネルギー貯蔵との連携など）は、一見難しく見えるかもしれませんが、これらの機能の多くを統合するのに役立つ多くのソリューションがあり、ドキュメントやトレーニング、そして非常に有能なサポートチームによって支えられています。

ビッグデータ解析のためにセンサーの生データを最適化しようとしている組み込み設計者であろうと、EH（および一般的な電力）を不便な手段としか考えず、最終的なアプリケーション/システムに集中したいと考えている人であろうと、ゼロから実装するための適切な知識と経験が不足しているエンジニアであろうと、EH技術の組み込みを容易にし、すぐに使える数多くのデザインキットや民生既製オフザシェルフ（COTS）モジュールを有効活用することができます。

EH IoT モジュールは、このアプリケーション向けにあらかじめ作られたコンポーネントで、通常 PMIC、BMS、無線機、そしておそらくいくつかのセンサーが組み合わされています。これにより、設計者は適切なEHトランスデューサーに素早く接続し、エネルギー貯蔵源を選択し、システム負荷に安定した電力レールを提供することができます。このようなモジュールの一例を見てみましょう。

さらに詳細に、複数のEHモダリティ、PMIC、エネルギー貯蔵ソリューション、さらにはさまざまな無線/ディスプレイ/センサーを試したい場合は、これらのシステム設計面の多くに複数のオプションを組み込んだ、より包括的なデザインキット [17] もあります。この開発環境では、すべてのオプションを切り替えられ、関連回路の知識がほとんど必要ないので、アプリケーション開発に集中できます。

"種をまいて収穫しよう！"

参考文献

[1] "Estimated U.S. Energy Consumption in 2020," Lawrence Livermore National Laboratory, March 2021.
[2] “AEM10941," e-peas Product Overview, Viewed January 12, 2020.
[3] Roadmap – Cypress – Solar Powered BLE Sensor Beacon Reference Design Kit, Future Electronics, 2016. [Online].
Available: http://fcs.futureelectronics.com/2016/08/cypress-solar-powered-ble-sensor-beacon-reference-design-kit/.
[4] “How to Build a Homemade Thermoelectric Generator,” 2017. [Online]. Available: https://topmagneticgenerator.com/build-homemade-thermoelectric-generator/.
[5] "Vibration Energy Harvesters," Perpetuum Datasheet, Downloaded October 10, 2017.
[6] PowerFilm LightSaver Max, Accessed January 29, 2018. [Online]. Available: https://www.powerfilmlightsaver.com/lightsaver-max.
[7] D. Pasero, "IoT Sensors Powered by Solid State Batteries and Harvested Energy," Ilika Technologies, APEC 2018 Industry Session, Tampa, FL, March 6, 2018.
[8] C. Ho, "Flexible Energy Storage Considerations," Imprint Energy, 2017FLEX Short Course, Monterey, CA, June 19, 2017.
[9] V. Micelli, "Pavegen - The Future of Urban Energy," IDTechEx US Show, Santa Clara, CA, November 17, 2016.
[10] D. -H. Kim, N. Lu, R. Ma, Y. -S. Kim, R. -H. Kim, S. Wang, J. Wu, S. M. Won, H. Tao, A. Islam, K. J. Yu, T. -I. Kim, R. Chowdhury, M. Ying, L. Xu, M. Li, H. -J. Chung, H. Keum, M. McCormick, P. Liu, Y. -W. Zhang, F. G. Omenetto, Y. Huang, T. Coleman and J. A. Rogers, “Epidermal Electronics,” Science 333, 2011, 838–843.
[11] N. Dahad, “Cartier Uses e-Peas Energy Harvesting PMIC for Solar-powered Watch,” Embedded, January 20, 2022.
[12] "Research Infrastructure Position Paper, European Infrastructure Powering the Internet of Things" EU EnABLES Project, February 2021.
[13] “Champion Photovoltaic Module Efficiency Chart,” National Renewable Energy Laboratory. [オンライン]: https://www.nrel.gov/pv/module-efficiency.html. Accessed 4/29/22.
[14] Friis Equation - (aka Friis Transmission Formula). [オンライン]: http://www.antenna-theory.com/basics/friis.php.
[15] PSMA Energy Harvesting Forum. [オンライン]: https://www.psma.com/index.php/technical-forums/energy-harvesting. [16] T. Becker, V. Borjesson, O. Cetinkaya, et al., "Energy Harvesting for a Green Internet of Things," Power Sources Manufacturers Association (PSMA) White Paper, October 2021.
[17] Würth Elektronik Gleanergy. [オンライン]: http://www.we-online.com/web/en/electronic_components/produkte_pb/demoboards/gleanergy/gleanergy.php.