振动式能量收集器将率先商用化
2012-06-15 12:24:00   来源：日经技术在线   评论：0   点击：

能量收集：掌握好传感器与无线的平衡，首先将振动发电投入实用

对于面向基础设施的无线传感器网络，最后的一个组成部分是能量收集。也就是把平常弃之不用的微弱能量转换成电力加以利用的技术。就基础设施监控用途而言，振动发电和小型光伏发电的应用尤其受到期待。

利用能量收集技术必不可少的前提条件，是掌握传感器和无线通信模块的功耗（图1）。例如，3轴加速度传感器消耗的电流约为100μA。鉴于能量收集得到的电能微弱，如果不足以直接驱动传感器，就需要先将其存储到充电电池和电容器之中，然后再加以利用。幸运的是，包括无线模块、MCU、存储器在内，待机电流低于1μA的产品已经非常之多。在实际运用无线传感器网络之时，驱动传感器发送数据的间隔只要延长到几分钟～几小时，或是1天1次即可。

图1 传感器功耗与能量收集的发电量之间的关系

关注振动发电和太阳能电池

在使用建筑物的发电方式之中，把振动转化为电能的振动发电元件成为了探讨的对象。发电量与振动频率和振子的振幅成正比。振动频率以桥梁为例，大约在数Hz～30Hz，具体数字因每座桥梁的规模、材质而异。因此，如何扩大振子的振幅将是竞争的焦点。“与小型化相比，（面向基础设施的发电元件）应更侧重于增加发电量”。

除此之外，耐久性也是一个重要因素。在无需更换一次电池的命题下，客户提出了“最少5年，最好放置10年也能使用”的愿望。而且还需要开发温湿度、冻结等耐环境性更好的封装技术。

欧姆龙现在已经推出了在输入30Hz频率、0.15G加速度的振动时，发电量超过100μW的振动发电元件的样品（图2）。这是一种使用“驻极体”材料的振动发电元件，当两个电极的对置面积因振动发生变化时，感应电荷量将随之改变，输出电流。该公司已经与NEXCO东日本工程等公司合作，使用开发品完成了验证实验。把元件安装在高速公路的支柱上，对发电量进行确认，成功通过无线通信，发送了道路的振动数据。在今后，该公司还计划以该数据为基础，对劣化的情况进行监控。

图2 欧姆龙开发出发电功耗可达100μW以上的小型振动发电元件

除了振动发电之外，光伏发电也是一种可行方式（图3）。能将微弱光线转化成电能的色素增感型太阳能电池的实用化开发进展尤为显著。只要高耐久性色素的开发取得进展，寿命短的课题也有望向实用化迈出巨大的一步。

图3 色素增感型太阳能电池与传感器相结合（村田制作所）