エネルギーハーベスティング

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ぜんまやすもと
6 years ago
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1 - エネルギーハーベストの研究動向と展望 - 大量文書情報を活用した分析 VALUENEX コンサルティング株式会社東京都文京区小日向ツインヒルズ茗荷谷 TEL: * 弊社では XLUS( カイラス ) の ASP サービスならびに技術調査業務を行っておりますご関心のある方は上記連絡先までご連絡ください * 本レポートに記載した内容および図表の全ての著作権は VALUENEX コンサルティング株式会社が保有します無断転載は禁止いたします 1. はじめにスマートフォンの高機能化と普及クラウドコンピューティングビッグデータの活用などにより我々の住む社会は急速に高度情報化社会へと向かっている今後は IoT( モノのインターネット ) が進展しより高度かつ多数の情報を活用したサービスが展開されていくであろう今後の更なる高度情報化社会のための基盤技術のひとつがセンサーネットワークである現在でも我々の身の回りには多数のセンサーが使われているが今後は生活環境や自然環境あるいは都市インフラなどいたるところにセンサーが取り付けられかつネットワークを構築することでさまざまな情報収集や機械間制御などの機能を果たすことになるであろう大量のセンサーの導入に関しては実際に米国を基点として trillion sensors universe に関する検討が始まっているなど実現に向けた動きが見られるセンサーネットワークを構築する上で重要になるのがエネルギーソースであるセンサーは駆動するためにエネルギーを必要とするしネットワークを構築するためには各センサーノードは相互に通信を行う必要がありエネルギーが不可欠であるそのエネルギー源として着目されているもののひとつに周囲の環境からエネルギーを取り出す技術 ( エネルギーハーベスティング ) があるエネルギーハーベスティングによりセンサーの駆動や通信をまかなえるだけのエネルギーが取得できればセンサーは故障しない限り恒久的に駆動することになり多量のセンサーをさまざまな環境で意識せずに利用できるようになる今後の高度情報化社会においてはセンサーネットワークとそれを支えるエネルギーハーベスティングが重要になると考えられるがその研究開発はどのように進んでいるのであろうかここではエネルギーハーベスティングに関連する学術文献情報をクラスター解析することにより検討されているエネルギーソースの多様性や動向および今後の展開可能性について検討を行った 2. エネルギーハーベスティングに関するマクロ動向エネルギーハーベスティングに関連する学術文献情報の収集はエルゼビア出版の Scopus を利用した収集条件はタイトルアブストラクトおよびキーワードで Energy と Harvest* が3ワード以内で共起する Article あるいは Proceedings としたなお今回の解析では少なくとも原著が英語の記述を持つものに限定したエネルギーハーベスティングに関連する研究論文数の推移および主要な研究機関所属国籍を Fig. 1 および Fig. 2 また主要論文発表国の年次推移を Fig.3 にまとめる 1

2 学術文献数学術文献数 VN Technology Trend Watch No.290( ) 論文数推移を見ると急速な論文数増加は 2005 年頃からであることが分かる環境からエネルギーを取り出すという意味ではエネルギーハーベスティングは古くから行われている技術であるのでこのキーワードが意識して使われるようになったのが 2005 年頃からということになるまた図示はしていないがワイヤレスセンサーネットワークに関連する学術文献数は 2003 年頃から立ち上がっているこのこともエネルギーハーベスティングが 2005 年頃から急速に増加したことと関連しているものと考えられる国別の学術文献発表数を見ると当該分野では米国がとくに多くなっているこの一つの要因として前述のようにワイヤレスセンサーネットワークとの関連があるものと推定されるワイヤレスセンサーネットワークの一つの大きな目的は軍事でありそのために米国での学術文献数が多くなっているものと考えられる United States China United Kingdom Germany South Korea Italy Japan France Canada India 発表年次 Fig. 1 関連学術文献数の推移学術文献数 Fig. 2 主要な論文発表組織所属国学術文献数上位 3 カ国および日本の年次別発表件数推移を Fig. 3 に示す学術文献数増加の立ち上がりを見ても米国が他国を先行しているその他の主要国および日本では 2008 年頃から学術文献数が増加している Fig. 3 主要国の関連学術文献数推移 3. 関連論文のクラスター解析エネルギーハーベスティングに関連する研究動向を俯瞰することを目的とし収集した学術文献情報 ( タイトル要約 ) を用いてクラスター解析を行ったクラスター解析では解析対象とする文書情報の特徴量を tf/idf 法を用いて評価し文書相互の類似度評価を行い可視化している主要な研究領域をアサインした結果を Fig. 4 に示すクラスター解析結果では主要な研究領域として大きく分けて 3 つの領域が確認できる一つが今回特に注目しているセンサーに関連したエネルギーハーベスティング技術であるこの中を詳細に見るとワイヤレスセンサーノードや RFID といったエネルギーハーベスティングを利用する側の研究パワー変換や伝送などの関連技術およびピエゾや熱電変換などのエネルギーハーベスティング技術が含まれているセンサーデバイス領域の横には光エネルギーに関連する領域が形成されているここには色素増感を含む太陽電池や生体模倣量子ドットによる光ハーベストクロロフィル等のバイオマテリアル関連研究が含まれている United States China United Kingdom Japan 発表年次 2

バイオマス腸内微生物作物バイオマス風力木質バイオマス伝送 RFID PV パワーシステム燃料電池ワイヤレスセンサーノード熱電変換 PV 色素増感光受容体センサーデバイス光エネルギー座標には意味が無く

は含まれる文献数に比例振動 & 圧電圧電とくに PZT 誘電エラストマナノワイヤ利用 PVDF 利用 Fig.

これらも広い意味ではエネルギーハーベスティングであるが今回の趣旨からは少し離れているこれに加え光エネルギー領域とセンサーデバイス領域の間を埋めるように研究が増加していることも特徴的である ( 図中矢印 ) ~1999

1 に示したように学術文献数全体で見た場合の推移では 2005 年頃から件数が急増しているがクラスター解析結果で見るとセンサーデバイス関連研究が 2006 年頃から急激に増加していることが分かるすなわち 2005

3 バイオマス腸内微生物作物バイオマス風力木質バイオマス伝送 RFID PV パワーシステム燃料電池ワイヤレスセンサーノード熱電変換 PV 色素増感光受容体センサーデバイス光エネルギー座標には意味が無くクラスター相互の類似性が正しく表現されるように配置 RF パワーパワー変換フラッター焦電摩擦帯電バクテリアクロロフィル植物クロロフィル量子ドットクラスター間距離は相互の類似性を表現クラスターサイズ ( 円の大きさ ) は含まれる文献数に比例振動 & 圧電圧電とくに PZT 誘電エラストマナノワイヤ利用 PVDF 利用 Fig. 4 エネルギーハーベスティング関連研究のクラスター解析結果 ( 左 ) 大領域 ( 右 ) 詳細なアサイン結果センサーデバイスと少し離れる形でバイオマスに関連した研究領域が現れているこれは木質や作物のバイオマスに関連した研究であるこれらも広い意味ではエネルギーハーベスティングであるが今回の趣旨からは少し離れているこれに加え光エネルギー領域とセンサーデバイス領域の間を埋めるように研究が増加していることも特徴的である ( 図中矢印 ) ~ ~ 研究領域の年次推移エネルギーハーベスティングに関連する研究の推移をクラスター解析を用いて可視化した結果を Fig. 5 に示す Fig. 1 に示したように学術文献数全体で見た場合の推移では 2005 年頃から件数が急増しているがクラスター解析結果で見るとセンサーデバイス関連研究が 2006 年頃から急激に増加していることが分かるすなわち 2005 年以前の研究はバイオマスや光 2003~ ~2008 エネルギーに関連するものであり 2005 年以降急速にセンサーデバイス関連研究が伸びてきたことになる 2009 年から 2011 年のスパンと 2012 年以降のスパンで比較した場合 2012 年以降ではセンサーデバイス領域においてワイヤレスセンサーノードや伝送に係る研究が増加しておりエネルギーハーベスティングの実用に向けた取り組みが活発化している可能性が考えられる 2009~ ~2014 Fig. 5 関連研究領域の推移 3

5. 国別の注力領域エネルギーハーベスティング関連研究について主要な国別での注力領域をクラスター解析結果の両者を用いて評価した結果を Fig.

6 主要国の研究領域米国の当該研究領域に対する取り組みでは全体像と類似した研究分布になっているとくに研究集中が見られる領域としては振動圧電および摩擦帯電がある一方で光エネルギー中バイオ関連の研究では比率が低めになっている (2) 中国中国の主要な研究領域は摩擦帯電が多く次いで振動圧電となっている

全体でみると光エネルギーとくにクロロフィル関連研究に論文が多くみられる (4) ドイツドイツの場合センサーデバイス領域ではなく光エネルギーとくに植物クロロフィル領域に研究が集中している (5) 日本日本はセンサーデバイス領域においては圧電とくに PZT 領域に研究が多くなっているこれに加えパワー変換にも集中が見られるなお

解析を行う必要がある 6. センサーデバイス領域における推移センサーデバイス領域における 2007 年以降の研究領域の変化を Fig.

4 5. 国別の注力領域エネルギーハーベスティング関連研究について主要な国別での注力領域をクラスター解析結果の両者を用いて評価した結果を Fig. 6 に示すなお図示した領域はとくに研究の多い領域でありそれ以外の領域に研究が無いということではない United States 振動圧電 United Kingdom Japan (1) 米国 Fig. 6 主要国の研究領域米国の当該研究領域に対する取り組みでは全体像と類似した研究分布になっているとくに研究集中が見られる領域としては振動圧電および摩擦帯電がある一方で光エネルギー中バイオ関連の研究では比率が低めになっている (2) 中国中国の主要な研究領域は摩擦帯電が多く次いで振動圧電となっている光エネルギー関連領域には研究が少ない定性的な傾向は米国に似ていると言える (3) イギリス摩擦帯電ワイヤレスセンサーノードクロロフィルパワー変換圧電とくに PZT China Germany 全体量子ドットクロロフィルイギリスの場合センサーデバイスに関連する領域では振動圧電領域に論文が多くみられる全体でみると光エネルギーとくにクロロフィル関連研究に論文が多くみられる (4) ドイツドイツの場合センサーデバイス領域ではなく光エネルギーとくに植物クロロフィル領域に研究が集中している (5) 日本日本はセンサーデバイス領域においては圧電とくに PZT 領域に研究が多くなっているこれに加えパワー変換にも集中が見られるなお日本に関しても光エネルギーとくに光受容体やクロロフィルに研究が多くなっているなお以上の結果はエネルギーハーベスティングという切り口で見た場合でありたとえば PZT の圧電素子としての研究やクロロフィルの研究を網羅的に含んでいるものではないそのため個別技術に関する正確な傾向を把握するためには要素技術ごとに再度データを収集し解析を行う必要がある 6. センサーデバイス領域における推移センサーデバイス領域における 2007 年以降の研究領域の変化を Fig. 7 に示すなお図では各年次で最も研究数の多い領域を赤で研究の少ない領域を青で示している ( カラーコンター図 ) 図に見られるように 2007 年に発表された学術文献ではデバイス領域では振動および圧電関連研究が集積し始めた状態であったその後 2008 年になるとセンサーノード関連研究が急増している 2009 年以降はさらに振動圧電関連研究が増加する 2011 年になるとパワー変換や熱電変換などが増加を見せるさらに 2013 年になるとエネルギーソースとしては焦電や摩擦帯電が関連技術としては伝送関連技術が増加しているなおここでの伝送は例えばエネルギーハーベスティングを利用した通信におけるパケット通信時間の最適化や情報とパワーの同時伝送におけるエネルギー効率最適化に関する研究などである以上のようにセンサーに関連するエネルギーハーベスティングではピエゾ素子を使った振動発電が多く研究されており近年ではエネルギーソースの多様化 4

や情報伝送制御やエネルギー伝送などに関する研究が進んでいるものと考えられる 2007 2008 2009 2010 2011 2012 が多くなっている風力に関してはタービンのほか圧電との共起も見られる学術文献数 0 500 1000 1500 vibration solar thermal electromagnetic wind photovoltaic kinetic

8 エネルギーソース関連キーワードの出現頻度 2013 2014 エネルギーハーベスティングでは環境に存在するエネルギーを利用可能なエネルギー形態 ( 多くの場合は電力 ) に変換する技術も必要となるエネルギーハーベスティング関連研究における変換手法を Fig. 9 にまとめる学術文献数 0 500 1000 1500 piezoelectric Fig.

5 や情報伝送制御やエネルギー伝送などに関する研究が進んでいるものと考えられるが多くなっている風力に関してはタービンのほか圧電との共起も見られる学術文献数 vibration solar thermal electromagnetic wind photovoltaic kinetic thermoelectric pressure fluid Acoustic triboelectric pyroelectric Fig. 8 エネルギーソース関連キーワードの出現頻度エネルギーハーベスティングでは環境に存在するエネルギーを利用可能なエネルギー形態 ( 多くの場合は電力 ) に変換する技術も必要となるエネルギーハーベスティング関連研究における変換手法を Fig. 9 にまとめる学術文献数 piezoelectric Fig. 7 センサーデバイス領域での研究推移センサーデバイス領域に着目した場合の主要なエネルギーソースに関連するキーワードを整理した結果を Fig. 8 にまとめるエネルギーソースに関連するキーワードでは振動に関連するものが最も多く次いで太陽エネルギー熱エネルギー電磁波圧力音波などとなる各エネルギーソースと共起するキーワードについて見ると振動エネルギーに関しては圧電がとくに多くなっている solar に関してはシステムやデザインなどが多い熱エネルギーに関しては熱電素子との共起 photovoltaic thermoelectric triboelectric pyroelectric Fig. 9 エネルギー変換関連キーワードの出現頻度変換手法中とくに多いのが圧電効果 (piezoelectric) であり次いで多いのが光電効果 (photovoltaic) で 5

学術文献数 VN Technology Trend Watch No.290(2014.10.

6 学術文献数 VN Technology Trend Watch No.290( ) ある圧電効果は素子に加わった力を電圧に変換するものであり光電効果は素子に光が当たることにより電圧が発生するものであるこれらの手法は比較的身近にあるもので例えば圧電素子は使い捨てライターやガスコンロの着火に利用されている次いで多くなっているのが熱電効果であり素子に加わった温度差によって電圧を発生するこれら上位 3 件に比較すると件数は多くないが摩擦帯電や焦電効果などが変換手法として出現している摩擦帯電はいわゆる静電気である焦電は素子に加えられた温度変化によって電圧を生じるものであるこれらの手法のアブストラクトにおける 2005 年から 2013 年までの出現頻度の推移を Fig. 10 に示す 300 piezoelectric 250 photovoltaic 200 thermoelectric triboelectric 150 pyroelectric 発表年次 Fig. 10 変換手法の年次推移エネルギーハーベスティングと共起する変換手法に関しては圧電効果が多く近年でも論文数は増加している圧電は前述のように振動エネルギーの変換との共起が特に多い近年急速に立ち上がった変換手法が摩擦帯電である摩擦帯電に関しては米国ジョージア工科大学と中国科学院の共同研究が主要な研究機関となる帯電摩擦の利用法としては液体の波動や液滴落下や人体における呼気動作などがある 7. エネルギーハーベスティングにおける活性領域エネルギーハーベスティングに関連する研究中今後活性化する可能性がある領域を抽出するためにクラスター解析結果をメッシュ分割し 2011 年以降の学術文献比率が 90% を超えかつ伸び率が正となるメッシュの特定を行った結果を Fig. 11 に示すなお図ではメッシュ内件数が 10 件未満のものは対象外とし該当するメッシュに含まれるクラスターを赤で示したケーブルの振動 ( 風等 ) 海の波電気粘性振動利用の高度化 Fig. 11 活性化領域の抽出結果 Fig. 1 や Fig. 7 で示したようにエネルギーハーベスティングに関連する研究そのものが増加しているために伝送や熱電変換など密集領域においても近年の学術文献比率が 90% を超える領域が複数見られるとくに伝送に関しては領域に含まれる学術文献の約 76% が 2013 年および 2014 年に発表されている密集領域以外では熱電変換におけるナノ構造利用や振動利用の高度化振動エネルギー変換のためのコンポジット化あるいは車両への応用などにおいて近年の研究比率が高くなっている以上のようにエネルギーハーベスティングに関してはとくにセンサーデバイス応用に関しては研究全体が伸びている状況にあるとくに近年ではエネルギーおよびデータの伝送といった実用的側面エネルギーソースの多様化とそれに適したエネルギー変換手法そしてナノ構造やコンポジット構造などによる高性能化といった方向で研究が進んでいくものと考えられるなお繰り返しになるがエネルギーハーベスティングとの共起において活性化しているものであり例えば圧電などはエネルギーハーベスティングとは関係なく多数の研究が行われている点は留意が必要である電磁気利用車両応用磁歪 / 圧電構造熱電 ( ナノ構造 ) 6

7 8. おわりにエネルギーハーベスティングに関して学術文献情報を用いたクラスター解析により研究開発動向の解析を試みた当該分野とくにセンサーデバイスに関連する研究領域での主要なプレイヤーは米国でありこれに中国が追随している日本に関してはセンサーやデバイスといった観点でのエネルギーハーベスティングに関してはやや遅れをとっているようであるこれにはワイヤレスセンサーネットワークの応用先のひとつが軍事目的であることも関係していると考えられるエネルギーソースに関しては振動エネルギーの利用が最も多くこれを圧電効果で電気エネルギーに変換する研究が特に多くなっているまた太陽光や熱電変換なども変換手段として研究されているさらに焦電や静電帯電など様々な変換技術がエネルギーソースに応じて利用されているただしいずれも新規な変換手法ではなく既知の効果を利用しているものでありこれらを如何に環境エネルギーに応用するかそしてエネルギーソースに合わせて如何に変換技術をチューニングするかがひとつのポイントになっているものと考えられるこれに加えエネルギーとデータの伝送といった研究も重要性を増しているものと考えられるワイヤレスセンサーネットワークは軍事応用だけではなく今後の高度情報化社会のキー技術になる可能性が高い大量のセンサーを利活用する研究開発に関しては米国が主導的に検討が進められているナノ構造形成やコンポジット化などの材料技術に強みを持つ日本がエネルギーハーベスティングという具体的応用先を見据えた研究開発を行うことで国際的な競争力を得ていくことを期待する ( 著者紹介 ) 本多克也 : ソリューション事業本部長博士 ( 工学 ) 新技術事業団研究員三菱総合研究所主任研究員を経て 2008 年より現職専門領域 : ナノテクノロジー材料等の先端科学技術調査分析および海外の科学技術調査分析 7

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prd-100731s001-20101026_1253(2).pdf ISSN 1340-6671 POWER & ENERGY SYSTEM NEWSLETTER No.41 Nov 2010 POWER & ENERGY SYSTEM NEWSLETTER No.41 Nov 2010 POWER & ENERGY SYSTEM 200mm 300mm 450mm 650mm NEWSLETTER No.41 Nov 2010 Abstracts Submitted