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エネルギーハーベスティングの設計と応用展開

  • Recent Design and Application of Energy Harvesting
★前書からアップデートしたエネルギーハーベスティングの最新技術書!
★光、振動、熱、電磁波などを利用した発電材料の特性を徹底解説!
★エネルギーハーベスティングを組み込んだデバイス設計と応用展開を詳述!

商品コード: T0985

  • 監修: 桑野博喜、竹内敬治
  • 発行日: 2015年10月23日発売
  • 価格(税込): 69,120 円
  • 体裁: B5判、241ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-1092-3

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  • マイクロワット / エレクトレット / 圧電MEMS / 磁歪材料 / ブラッキング振動子 / ゼーベック効果 / PEDOT / PZT / ペロブスカイト / SMFC / MET / レクテナ / MPPT / DC-DC昇圧回路 / CMOS / SSHI / MOSFET / リチウムイオン電池 / キャパシタ / 無線センサノード / センサネットワーク

刊行にあたって

我々の身の回りには振動、熱、光、電磁波、生物由来物質など様々なエネルギーが存在している。これらは通常、利用されることなく捨てられる低密度エネルギーである。これらの捨てられてきたエネルギーを電気エネルギーに変換する技術をエネルギーハーベスティング技術または、エネルギースカベンジング技術という。本技術は、有線の商用電力に頼る事無く、また、電池のように交換や充電の必要もなく、デバイスや装置に直接電力を供給することが期待される。長寿命でメンテナンスの必要が無い。さらに捨てられたエネルギーは結局小さいとは言え、熱になって地球環境に悪影響を及ぼす。エネルギーハーベスティング技術は、捨てられるエネルギーを電気エネルギーに変換するとともに、小なりと言えどもエネルギーを使い尽くすことを目指す技術である。

石油、石炭、原子力以外の未利用エネルギーを電気エネルギーに変換して利用することは広義の意味でエネルギーハーベスティングと言えるが、ここでは特にマイクロ情報機器などに適用できるようなマイクロエネルギーハーベスティングに関して主として扱っている。従って水力発電、地熱発電、メガソーラなどの集中電源と異なり、局所的、分散的でありセンサネットワークや体内治療・計測機器、各種ウェアラブル機器などに用いられるのもである。
本書は前書ともいうべき「エネルギーハーベスティング技術の最新動向」(CMC出版、2010年10月発行)の続編として計画され各種エネルギーハーベスティング技術の設計法に重点を置き応用技術を含むものとなっている。最近では、本技術のIoT(Internet of Things)やその重要な一部であるセンサネットワークへの適用が期待されており誠に、時機を得たものと考えられる。本書では、場面、場面における最適なエネルギーハーベスティングデバイス技術の概要とその設計法についてこれから技術開発を進めようとする方々、応用を試みようとする方々を主な読者と考えている。

構造物や移動体、生体内に埋め込む場合など半永久的な自立発電が必要とされる場合にエネルギーハーベスティングは極めて有用な技術となる。すなわちエネルギーハーベスティングが、新しいビジネス、世の中の新しい仕組みを創造する、大きなイノベーションに繋がることを期待する。

桑野博喜

著者一覧

竹内敬治 (株)NTTデータ経営研究所 
桑野博喜 東北大学 
鈴木雄二 東京大学 
吉村武 大阪府立大学
村上修一 大阪府立産業技術総合研究所
山浦真一 東北大学(現 職業能力開発総合大学校)
橋口原 静岡大学 
増田新 京都工芸繊維大学
中村雅一 奈良先端科学技術大学院大学
野村政宏 東京大学生産技術研究所 
眞岩宏司 湘南工科大学 
宮坂力 桐蔭横浜大学 
宮原盛雄 東京薬科大学 
渡邉一哉 東京薬科大学 
北隅優希 京都大学 
加納健司 京都大学 
篠原真毅 京都大学 
松本聡 九州工業大学 
高宮真 東京大学 
槙原幹十朗 東北大学 
史又華 早稲田大学 
柳澤政生 早稲田大学 
石原亨 京都大学 
金村聖志 首都大学東京 
直井勝彦 東京農工大学大学院 
大口裕之 東北大学 
道関隆国 立命館大学 
大場正利 オムロン(株) 
内藤康幸 パナソニック(株)

目次

【第1編 市場】

第1章 エネルギーハーベスティング市場動向  
1 はじめに
2 エネルギーハーベスティングデバイスの市場
2.1 太陽電池デバイス市場
2.2 振動発電デバイス市場
2.3 熱電発電デバイス市場
3 蓄電デバイスの市場
4 電源ICの市場
5 エネルギーハーベスティング応用製品の市場
6 今後の動向

第2章 センサネットワーク概要   
1 センサネットワークとは
2 無線センサネットワークの構成と進展
3 無線センサネットワークの課題

【第2編 環境発電技術】

第3章 振動発電
1 ポリマー・エレクトレットを用いた環境振動発電  
1.1 環境振動発電
1.2 エレクトレット材料と新しい発電用材料の開発
1.3 エレクトレットを用いた環境振動発電器の開発
1.4 結論

2 圧電  
2.1 圧電効果
2.2 圧電式振動発電素子のモデル
2.3 圧電体薄膜
2.4 BiFeO3薄膜を用いた圧電MEMS振動発電素子の試作例

3 逆磁歪振動発電  
3.1 はじめに
3.2 磁歪材料の研究動向
3.3 逆磁歪効果について
3.4 逆磁歪振動発電体の構造例
3.5 Fe-Co合金磁歪材料を用いた新規振動発電体の創製
3.6 おわりに

4 カリウムイオンエレクトレット  
4.1 開発の経緯
4.2 カリウムイオンエレクトレット膜の形成方法
4.3 エレクトレット膜の評価と長期信頼性
4.4 カリウムイオンエレクトレットの応用
4.5 おわりに

5 振動エナジーハーベスティングの広帯域化   
5.1 はじめに
5.2 最大発電電力と帯域幅のトレードオフ-VEH設計における困難
5.3 非線形振動子によるVEHの広帯域化
5.4 自動振動による最大振幅解の大域的安定化
5.5 プラッキング振動子による低周波振動源からのVEH
5.6 おわりに

第4章 有機系熱電材料   
1 はじめに
2 ゼーベック効果の基礎とフレキシブル熱電変換デバイスのための条件
3 有機系熱電材料の現状概要と有望と考えられる材料群
4 おわりに

第5章 ナノ加工シリコン熱電変換  
1 緒言
2 シリコンナノ構造中の熱伝導
3 多結晶シリコンフォノニック結晶熱電変換ナノ材料
4 フォノンの波動性に基づく伝熱制御
5 結言

第6章 焦電効果を利用した熱エネルギーハーべスティング   
1 焦電効果 
2 焦電材料の性能指標
3 焦電材料
4 焦電エネルギーハーベスティングの動作
5 焦電エネルギーハーベスティングの素子
6 最後に

第7章 ペロブスカイト太陽電池の特徴とエネルギーハーベストへの応用   
1 有機無機ペロブスカイトを用いる光発電変換
2 ペロブスカイト太陽電池の高効率化開発
3 強誘電物性とイオン移動のもたらす光電効果
4 高感度光センサとしての応用
5 エネルギーハーベストへの応用

第8章 微生物燃料電池   
1 微生物燃料電池の原理と用途
2 SMFCの特徴
3 SMFCの用途
4 SMFCの設置環境
5 SMFCにおいて発電に関与する微生物
6 今後の展望

第9章 酵素バイオ電池   
1 生物の持つエネルギー変換機能
2 酵素機能電極反応
3 メディエータ型酵素電極反応
3.1 酵素・メディエータ固定化層で反応が進行し、濃度分極を無視できる場合
3.2 メディエータの酸化還元電位依存性
4 直接電子移動型酸化還元酵素機能電極反応
5 酵素型バイオ燃料電池
5.1 バイオカソードについて
5.2 バイオアソードについて

第10章 電磁波利用  
1 はじめに
2 身の回りの電波の強度
3 電波受電整流技術
4 最近の電波ハーベスティング研究開発例
5 おわりに

【第3編 デバイス設計と応用技術】

第11章 電源回路の設計  
1 光発電用昇圧回路・MPPT 
1.1 はじめに
1.1.1 太陽電池セル
1.1.2 太陽電池モジュール
1.1.3 太陽電池の動作
1.1.4 エネルギーハーベスティング用太陽電池モジュールの要求性能
1.1.5 部分日陰
1.2 エネルギーハーベスティング用太陽電池モジュールの開発例
1.3 まとめ

2 熱電発電用昇圧回路  
2.1 はじめに
2.2  熱電発電用昇圧回路の評価項目
2.3 熱電発電用昇圧回路の動作原理と設計指針
2.4 最新の熱電発電用昇圧回路のレビュー
2.5 熱電発電用昇圧回路の設計事例
2.6 まとめと将来展望

3 自立駆動型デジタル能動ハーベスターの設計  
3.1 はじめに
3.2 圧電素子を有する構造物の運動方程式
3.3 能動ハーベスティング手法の概要
3.4 SSHI手法の問題点
3.5 自立駆動型デジタル能動ハーベスターのメカニズム
3.6 多自由度構造物を対象とした能動エネルギーハーベスティング
3.7 おわりに

4 エネルギーハーベスト回路設計  
4.1 エネルギーハーベスティングシステム
4.2 エネルギーハーベスタ
4.3 パワーマネージメント回路設計
4.3.1 ダイオード全波整流回路
4.3.2 MOSFET受動整流回路
4.3.3 能動整流回路
4.4 低消費電力アプリケーション回路設計
4.5 むすび

5 動的構成変更技術  
5.1 はじめに
5.2 Maximum Power Transfer Tracking (MPTT)
5.3 エネルギー貯蔵システム
5.4 動的構成変更技術
5.5 電力スケジューリング
5.6 今後の展望

第12章 蓄電デバイス
1 印刷法を用いたマイクロ電池の作製  
1.1 はじめに
1.2 三次元的な電池構造
1.3 印刷技術を用いた電池の作製
1.4 まとめ

2 ナノハイブリッドキャパシタ 
2.1 はじめに
2.2 キャパシタと電池
2.3 ハイブリッドキャパシタ
2.3.1 リチウムイオンキャパシタ(LIC)
2.3.2 ナノハイブリッドキャパシタ(NHC)
2.4 超遠心ナノハイブリッド技術
2.5 おわりに

3 全固体薄膜リチウムイオン電池  
3.1 リチウムイオン電池とは
3.2 リチウムイオン電池の基本構成と動作原理
3.3 材料開発の動向
3.4 全固体薄膜リチウムイオン電池
3.5 水素化物固体電解質と全固体リチウムイオン電池
3.6 全固体薄膜リチウムイオン電池の実現に向けた新規薄膜電解質研究開発例:
水素化物エピタキシャル薄膜成長

第13章 尿発電センサシステム   
1 はじめに
2 尿発電電池
3 間欠電源供給回路
4 尿発電を用いた尿失禁センサ
5 まとめ

第14章 エレクトレット振動発電デバイスの開発事例   
1 はじめに
2 エレクトレット振動発電デバイスの基本設計
3 電源回路技術
4 自律動作無線センサモジュール応用例
4.1 回転機器設備診断用無線センサノード
4.2 多種環境データ取得用無線センサノード
5 おわりに

第15章 タイヤセンサー用振動発電器 
1 はじめに
2 設計と発電の仕組み
3 製造プロセス
4 評価
4.1 正弦波振動
4.2 インパクト振動
5 おわりに
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