エネルギーハーベスティング

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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

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

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

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

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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