エネルギーハーベスト（環境発電）は、もはや夢物語ではない

　「きょう夢見ていたことは明日から来たアイデアである。明日のアイデアは明後日からもたらされたものである」

　私達を取り巻く環境は常に変化し、すべてにおいて電子化が進んでいる。今では眼鏡や手袋、シャツ、靴などをスマートフォンに接続して周囲の機器にコマンドを送ることも可能。この快適性を手に入れ、スマートホームに進化させたいと皆が思っている。ポイントとなるのは、既に建築済みの家ではコーヒーメーカーや冷蔵庫にはCATxのLANケーブルが付いていないということである。照明器具全般でさえPoE（Power over Ethernet：Ethernet 配線を通して電力を供給する技術）を使っていない。家の新築時にこういったデータケーブルを設置する場合、コスト増を考えて設置をためらっていはいけない。代替案として無線通信を使う方法もあるが、いろいろな機器が絶え間なく放射を続けるエレクトロスモッグ（electro-smog）の真っ只中に住みたいとも思わないだろう。データケーブル等の機器は要求に応じるときだけデータを送信する。さらに性能に悪い影響はないという理由でEnergyStar認定済みの機器が皆に好まれることになる。
　そのような機器全てにWi-Fi を使うことも可能で、それが一番シンプルで簡単な方法である。だが設置コストは非常に高くつき、メンテナンスの際にはユーザーにさらなる技術的ノウハウが要求される。この状況を解決し費用効率をよくするために、設計エンジニアはISM Band（Industrial, Scientific and Medical Band:工業、科学及び医用装置用周波数帯）を使用したSRD（Short Range Devices: 近距離無線通信機）システムを使おうとするだろう。
　チップメーカー(1) はチップそのものにビルトインのRF モジュールがすでに組み込まれた新世代プロセッサの販売を開始した。ARM CortexM4 CPU platform がその一例で、48 MHzまでのクロックで使用でき、送受信（Rx/Tx）のRF ステージは145 MHz ～1050 MHzで動作可能である。
このソリューションは驚くような低消費電流しか必要とせず、スリープモードでは電源電圧3V、わずか40 nAで動作可能である。送信の際は、RF出力10 mW（+10 dBm）で消費電流は18 mAである。今のところ、周囲環境からアプリケーション用に環境発電を開始して機器を充電できる。このようなソリューション用として電源変換器メーカー(2) は複数のソースから環境発電できる新しいチップを開発した（図１参照）。
動きや振動があるなら圧電または誘電harvester（発電器）が使用でき、温度差がある場合はTEG（Thermo Electric Generator：熱電発電器）で発電できる。あるいは室内で太陽電池を使って周囲環境の光から電力を得ることができる。これにはすべて、dc/dcコンバータが１つあればよい。必要な電力を得てもなお環境発電電力が残っている場合は、同じチップを用いてcapacity bank、次にSupercap（チップ内のバランサ）に蓄電し、リチウムイオン電池を充電することも可能である。バックアップ電池用の追加入力も同じチップ内でできる。エネルギーハーベスト（self-powered）を用いた電子機器の設計に初トライしてみたいなら、いくつかキットも発売されている(3)。
今や、わずか２個のICがあれば、多くのプロジェクトや非常に精巧なエネルギーハーベスト機器がメンテナンスの必要性ゼロを実現できるのである。私は、エネルギーハーベストで電池交換が不要なスマートホームアプリケーションの誕生を依然、待ちわびている。この先進技術の実現を心待ちにしているのは私だけではないはずだ。この件に関して何かあれば遠慮なくwww.we-online.com/askLorandtに連絡されたい。

[参考文献]
1. Silicon Labs: EZR32™ Wireless MCUs with 142 MHz – 1050 MHz RF frequencyrange App Notehttp://www.silabs.com/products/wireless/proprietary/ezr32-wonder-gecko-sub-ghz
2. Linear Technology: LTC3331 – Nanopower Buck-Boost DC/DC with EnergyHarvesting Battery Charge App Notehttp://www.linear.com/product/LTC3331
3. http://www.we-online.com/harvest

図1．Linear technology 社のLTC3331に基づく環境発電デモ基板

2017年3月7日　by Lorandt Folkel