パテントマップから見た特許情報分析・弁理士分析・書籍、特許関連セミナー、秋葉原の格安貸し会議室【パテントテック社】

■概要

市場拡大が期待されるIoT／トリリオンセンサの自立電源として必須の環境発電
～各発電・デバイス技術、市場動向、国内各社の先進的な取り組み事例まで解説～

　　　◎2010年代中頃までのブームとその鎮静化を経て、見えてきた環境発電ビジネスの方向性とは
　　　◎各種発電技術の仕組みと応用面から見た長短所
　　　◎太陽電池，熱電変換，振動発電デバイスの開発動向
　　　◎発電デバイス・センサ・周辺機器・応用システム開発の国内13社の最新取り組み事例
　　　◎海外企業の栄古斉衰、近年の動向、失敗・成功例から見る事業拡大への道...etc

などなど、技術・応用開発の両面から環境発電の今を解説

■著者

竹内 敬治　　(株)NTTデータ経営研究所
木藤 浩之　　(株)フジクラ
山本 和寛　　(株)フジクラ
新井 隼人　　(株)フジクラ
清水 智之　　シャープ(株)
福井 篤　　　シャープ(株)
笠原 恵　　　シャープ(株)
中野 雅行　　シャープ(株)
吉江 智寿　　シャープ(株)
柴田 諭　　　シャープ福山セミコンダクター(株)
田中 裕二　　(株)リコー
渦巻 拓也　　(株)富士通研究所
村瀬 隆浩　　(株)KELK
南部 修太郎　(株)Eサーモジェンテック
内田 秀樹　　日本ゼオン(株)
青柳 智英　　アダマンド並木精密宝石(株)
刀禰 直生　　双葉電子工業(株)
伊藤 雅彦　　(一財)電力中央研究所
大西 敦郎　　(株)東芝
石野 勝也　　東洋エレクトロニクス(株)
速水 浩平　　(株)音力発電



第1章 環境発電／エネルギーハーベスティング技術と市場の変遷
　はじめに
　1. 環境発電の概要
　2. 環境発電のニーズ・位置づけ
　　2.1 再生可能エネルギー
　　2.2 遠隔地や停電時などの独立電源
　　2.3 モバイル機器の主電源/補助電源
　　2.4 IoT向けの自立電源
　　2.5 IoT向けの電源の選択肢と環境発電の位置づけ
　　2.6 無線給電（無線電力伝送）と環境発電の関係
　3. 環境発電市場の変遷
　　3.1 スタンドアロン電源技術としての市場展開（～21世紀初頭）
　　3.2 IoT電源への転換（2000～2010年頃）
　　3.3 IoT電源としての市場展開（2010年頃以降）
　　　　3.3.1 展示会の動向
　　　　3.3.2 オープンイノベーションの動き
　　　　3.3.3 世界的ブームの沈静化
　　　　3.3.4 静かな浸透
　　　　3.3.5 明らかになった方向性

第2章 各種環境発電技術の仕組みと特徴
　はじめに
　1. 環境発電技術の利用が難しい本質的理由
　2. 環境発電を実用化するために重要なポイント
　3. 様々な環境発電技術
　4. 光エネルギー利用技術
　　4.1 太陽電池の仕組みと特徴
　　　　4.1.1 太陽電池の発電プロセス
　　　　4.1.2 光源と光吸収材の組み合わせで効率は変わる
　　4.2 環境中の光エネルギー
　　　　4.2.1 太陽光
　　　　4.2.2 室内照明
　　4.3 環境発電としての太陽電池の実用化のポイント
　　　　 4.3.1 太陽電池技術の選定
　　　　4.3.2 太陽電池の性能評価
　　　　4.3.3 日陰の考慮
　　　　4.3.4 その他
　5. 熱エネルギー利用技術
　　 5.1 熱エネルギー発電技術の仕組みと特徴
　　　　5.1.1 熱電発電
　　　　5.1.2 その他の熱発電
　　5.2 環境中の熱エネルギー
　　5.3 熱電発電の実用化のポイント
　　　　5.3.1 熱電材料，熱電変換モジュール，熱設計の課題
　　　　5.3.2 電気回路の課題
　6. 力学的エネルギー利用技術
　　6.1 力学的エネルギーからの発電技術の仕組みと特徴
　　　　 6.1.1 力学的エネルギーの取り込み方式
　　　　6.1.2 力学的エネルギーから電気エネルギーへの変換原理
　　6.2 環境中の力学的エネルギー
　　6.3 力学的エネルギー発電の実用化のポイント
　　　　 6.3.1 機械的インピーダンスマッチング
　　　　6.3.2 振動発電デバイスの最適設計
　　　　6.3.3 実環境振動への対応
　　　　6.3.4 エネルギー変換原理毎の課題
　　　　6.3.5 振動発電用電源回路
　7. 電波エネルギー利用技術
　　7.1 電波エネルギーからの発電技術の仕組みと特徴
　　7.2 環境中の電波エネルギー
　　7.3 電波エネルギー発電の実用化のポイント

第3章 国内の発電デバイスおよび応用研究・開発の動向

　第1節 太陽電池・光電発電デバイス開発とその応用
　　[1] フジクラ社の取り組み ―ワイヤレスセンサシステムへの展開―
　　　　はじめに
　　　　1. 色素増感太陽電池（DSC）
　　　　　1.1 DSCモジュールパネル
　　　　　　1.1.1 リーク電流の低減
　　　　　　1.1.2 耐久性
　　　　　1.2 DSC電源モジュールの構成
　　　　　　1.2.1 DSC電源モジュールの特長
　　　　　　1.2.2 電源IC
　　　　　　1.2.3 蓄電デバイス
　　　　　1.3 エネルギーバランスシミュレーション
　　　　2. エネルギーハーベスト型環境センサシステム
　　　　　2.1 EH型920 MHz帯マルチホップ無線センサシステム
　　　　　2.2 EH型LoRaWANTMセンサノード
　　　　　2.3 拡張センサ
　　　　　2.4 コト売り/クラウドソリューションサービス展開
　　　　3. 今後について
　　[2] シャープ社の取り組み ―色素増感太陽電池の開発とBluetooth®ビーコンへの応用―
　　　　はじめに
　　　　1. IoT（Internet of Things）の課題
　　　　2. 色素増感太陽電池の開発
　　　　　2.1 色素増感太陽電池について
　　　　　2.2 各種太陽電池の発電効率
　　　　　2.3 当社の色素増感太陽電池
　　　　3. 色素増感太陽電池のBluetooth® LEビーコンへの展開
　　　　4. 今後の展開 ～センサ連携～
　　[3] リコー社の取り組み ―室内光環境発電素子の実用化に向けて―
　　　　はじめに
　　　　1. 光環境発電素子
　　　　　1.1 光発電力の利用
　　　　　1.2 太陽電池の種類
　　　　2. 固体型色素増感太陽電池
　　　　　2.1 デバイス紹介
　　　　　2.2 室内照明に対する高出力化技術
　　　　　2.3 製品化モジュール
　　　　3. 固体型色素増感太陽電池モジュールの展開例
　　　　おわりに

　第2節　熱電発電/温度差発電デバイス開発とその応用
　　[1] 富士通研究所社の取り組み ―水インフラ・防災への展開―
　　　　はじめに
　　　　1. 製品開発の経緯
　　　　　1.1 エネルギーハーベスティングの価値とユースケース
　　　　　1.2 水インフラの顧客ニーズとエネルギーハーベスティングの必要性
　　　　2. 下水道水位リアルタイムセンシングシステムとその要素技術
　　　　　2.1 下水道水位リアルタイムセンシングシステムの概要・機能と提供価値
　　　　　2.2 水位センシングの技術課題と，その対策技術
　　　　　　　2.2.1 熱電変換素子の発電量を増大する独自技術
　　　　　　　2.2.2 無線の消費電力を低減するアダプティブセンシング技術
　　　　　2.3 発電デバイス・センサーに求められた仕様
　　　　　2.4 実証実験の事例
　　　　　　　2.4.1 郡山市で実証実験
　　　　　　　2.4.2 開発したエネルギーハーベスティングの性能評価
　　　　　　　2.4.3 顧客からの評価
　　　　3. 今後について
　　[2] KELK社の取り組み ―設備機器の予知保全への熱電EHセンサデバイス製品の展開―
　　　　はじめに
　　　　1. 熱電発電のしくみ
　　　　2. 熱電EHセンサデバイス
　　　　　2.1 周囲環境の変動に対する熱電EHのロバスト性
　　　　　2.2 熱電EHセンサデバイスの測定間隔
　　　　3. 設備故障の予兆と予知保全
　　　　4. 熱電EH振動センサデバイス
　　　　5. 熱電EHセンサデバイスの無線通信網
　　　　6. 熱電EHセンサデバイスのデータ管理ソフト
　　　　おわりに
　　[3] Eサーモジェンテック社の取り組み ―莫大な廃熱を電気エネルギーに変換―
　　　　はじめに
　　　　1. 独自のフレキシブル熱電発電モジュール「フレキーナ®」
　　　　2. 「フレキーナ®」による自立電源システムの共同開発
　　　　3. 商品化する製品
　　　　4. 関連する特許
　　　　おわりに
　　[4] 日本ゼオン社の取り組み
　　　　―CNT(Carbon NanoTube)を使った熱電変換素子による無線センシングシステムの開発―
　　　　はじめに
　　　　1. 熱電変換素子の概要
　　　　　1.1 熱電変換材料の特性
　　　　　1.2 熱電変換素子に用いる材料と素子構造
　　　　　1.3 CNTを使った熱電変換素子
　　　　2. 熱電変換素子を使った無線センシングシステム
　　　　　2.1 システムの概要
　　　　　2.2 熱電変換素子の設計
　　　　3. 無線センシングシステムに適用される熱電変換素子の条件
　　　　　3.1 無線センシングシステムの要件
　　　　　3.2 熱電変換素子の出力
　　　　　3.3 熱電変換素子の効率を決める他の要素
　　　　4. CNTを使った熱電変換素子
　　　　　4.1 材料特性
　　　　　4.2 デバイス構造
　　　　　4.3 CNTを使った熱電変換素子の特徴
　　　　　　4.3.1 形状的な特徴
　　　　　　4.3.2 発電特性
　　　　　　4.3.3 アプリケーション開発
　　　　5. 今後の取り組み
　　　　おわりに

　第3節　振動発電デバイス開発とその応用
　　[1] アダマンド並木精密宝石社の取り組み
　　　　―エネルギーハーベスティングの可能性 無電源車両検知システムへの展開―
　　　　はじめに
　　　　1. EHによるIoTソリューションへのアプローチ
　　　　　1.1 EHデバイスのコンセプト
　　　　　1.2 EHデバイスでできること
　　　　　1.3 IoTソリューションへのアプローチ
　　　　2. 無電源車両検知システムへの展開
　　　　　2.1 概要
　　　　　2.2 主な特徴
　　　　　　2.2.1 自己発電により電気代ゼロ
　　　　　　2.2.2 検知システムの無線化により配線不要
　　　　　　2.2.3 設置・撤去容易
　　　　　　2.2.4 物理的カウントにより高検知率
　　　　　　2.2.5 リアルタイムに把握可能
　　　　　 2.3 活用方法
　　　　　　2.3.1 車室管理・満空管理
　　　　　　2.3.2 履歴のデータ化，駐車場利用予測
　　　　　　2.3.3 運営最適化
　　　　　　2.3.4 小規模駐車場や臨時駐車場の開設
　　　　　2.4 導入の流れ
　　　　　　2.4.1 車両リアルタイムモニタリング
　　　　　　2.4.2 駐車場状況把握，分析レポート
　　　　　2.5 応用・展開例
　　　　　　2.5.1 物流倉庫のトラックバースや待機スペースの在車情報管理
　　　　　　2.5.2 省エネパーキング
　　　　　　2.5.3 簡易スピード検知
　　　　　　2.5.4 逆走検知
　　　　　　2.5.5 スマートフォンアプリ連動や表示板などによるスムーズな駐車
　　　　　　2.5.6 自動運転やバレーパーキングに対応
　　　　　2.6 仕様（2019年12月20日現在）
　 　　　おわりに
　　[2] 双葉電子工業社の取り組み ―IoT機器の電池レス化への展開―
　　　　はじめに
　　　　1. 環境発電デバイスへの取り組み
　　　　　1.1 環境発電への取り組みは副産物だった
　　　　　1.2 環境発電デバイスの開発
　　　　2. 振動発電デバイス開発
　　　　　2.1 振動源の選択
　　　　　2.2 振動から電力への変換方法決定
　　　　　2.3 高出力を安定して得るための工夫
　　　　　2.4 振動発電デバイス試作品のスペック
　　　　　2.5 振動発電デバイス開発のまとめ
　　　　3. 環境発電の双葉電子工業を目指して　
　　　　おわりに
　　[3] 電力中央研究所の取り組み
　　　　―電力インフラのモニタリングに向けた磁歪式振動発電モジュールの試作―
　　　　はじめに
　　　　1. 磁歪式振動発電素子V-GENERATORの詳細性能確認
　　　　2. 電力設備用振動発電モジュールの設計
　　　　　2.1 DC/DC昇圧コンバータモジュールの検討
　　　　　2.2 DC/DC降圧コンバータモジュールの検討
　　　　　2.3 電力設備用振動発電モジュールの試作
　　　　3. 変圧器の振動を活用した性能確認
　　　　おわりに
　　[4] 東芝社の取り組み ―鉄道車両台車監視システムへの展開―
　　　　はじめに
　　　　1. 高出力化を実現するための設計ポイント
　　　　2. コイルを貫く磁束密度の向上を図った磁気回路
　　　　3. 取り出す電力を最大化できるコンバーター
　　　　4. 鉄道車両走行時の台車振動による試作機の評価
　　　　　4.1 振動発電試作機の発電性能評価
　　　　　4.2 コンバーター試作機の有効性検証
　　　　おわりに
　　[5] 東洋エレクトロニクス社の取り組み ―畜産分野への展開―
　　　　はじめに
　　　　1. 振動発電型BLEビーコンの概要
　　　　　1.1 振動発電ユニットの概略仕様
　　　　　1.2 発電ユニットの基本構造と動作
　　　　　1.3 発電ユニットの自発光LEDへの応用
　　　　　1.4 発電ユニットの通信回路への利用
　　　　　　　1.4.1 整流回路
　　　　　　　1.4.2 電源監視と蓄電回路
　　　　　　　1.4.3 通信ブロック
　　　　　1.5 振動発電型BLEビーコンの概略仕様
　　　　　　　1.5.1 カウンター機能
　　　　2. 振動発電型BLEビーコンの畜産分野への応用
　　　　　2.1 牛の行動管理ソリューション『ルミログ®』
　　　　　　　2.1.1 システムの概要
　　　　　　　2.1.2 当該市場と狙い
　　　　　　　2.1.3 システムの特徴・導入効果
　　　　　2.2 振動発電型BLEビーコンの畜産分野への新たな可能性
　　　　　2.3 振動発電ユニットを使った新たな可能性
　　　　おわりに
　　[6] 音力発電社の取り組み －発電床®・発電スイッチ・振力電池®等への展開－
　　　　1. 当社における本分野での製品開発の経緯
　　　　2. 当社のエネルギーハーベスティング技術を用いた製品群＜導入編＞
　　　　3. 当社のエネルギーハーベスティング技術を用いた製品群＜製品，サービスの事例紹介編＞
　　　　4. 今後の開発の展望，発展性

第4章 海外の発電デバイスおよび応用研究・開発の動向
　はじめに
　1. 光発電
　　1.1 Konarka Technologies社
　　1.2 Alta Devices社
　　1.3 PowerFilm社
　2. 熱電発電
　　2.1 Micropelt社
　　2.2 Perpetua Power Source Technologies社
　　2.3 MATRIX Industies社
　　2.4 その他のメーカー
　3. 振動発電
　　3.1 AdaptivEnergy社
　　3.2 Advanced Cerametrics社
　　3.3 PZT圧電素子メーカー
　　3.4 microGen Systems社
　　3.5 Perpetuum社
　　3.6 最近の振動発電デバイスメーカ
　4. 電波発電
　　4.1 PowerCast社
　　4.2 Wiliot社
　おわりに