要約:
アーカンソー大学とミシガン大学の研究チームは最近、新しいテクノロジーを実証しました。彼らは、周囲の電力線によって生成される周囲の電磁放射からエネルギーを収集し、それを電気エネルギーに変換してセンサーに電力を供給する、グラフェンベースのエネルギーハーベスティングデバイスを開発しました。これにより、バッテリーや電源ラインなしでの独立した動作が可能になります。
研究者らはこのテクノロジーを使用して、グラフェン エナジー ハーベスタ、電力変換回路、エネルギー貯蔵コンデンサ、超低電力温度センサーを含むワイヤレス温度監視システムを構築しました。システム全体は電磁誘導を通じて電力を取得し、従来のバッテリーに依存せずに温度検出タスクを完了できます。
動作原理は、交流によって生成される変化する磁場に基づいています。電流がワイヤを通過すると、その周囲に磁場が生成され、交流電流は方向と強度を変化し続け、エネルギーを運ぶ変化する磁場を継続的に放出します。米国の送電網では、通常、この変更は 1 秒あたり 60 回発生します。研究チームは、これらの無視されていたエネルギー源を利用して、独立したデバイスに継続的に電力を供給しました。
この磁場エネルギーを捕捉するために、研究者らはグラフェンを使用してインダクターを作成し、磁場収集機能を強化するためにスチールコアを追加しました。デバイスが電力線の近くに配置されると、ワイヤの周囲で変化する磁場がインダクタを通過し、その両端に弱い AC 電圧が誘導されます。このプロセスは、従来の変圧器や発電機で利用されている電磁誘導と同じ原理です。
ただし、最初に生成された電気信号は電子デバイスを直接駆動することはできません。一方で、センサーは直流を必要としますが、それは交流です。一方で、その電圧レベルは十分とは程遠いです。この目的を達成するために、研究チームはコッククロフト・ウォルトン倍電圧器に基づいた電力変換回路を設計し、交流を直流に整流し、電圧をセンサーが使用可能なレベルまで徐々に上昇させました。
従来のソリューションとは異なり、このシステムは充電式バッテリーを使用せず、収集した電気エネルギーを保存するために 3 つのコンデンサを使用します。コンデンサは徐々に電荷を蓄積し、研究者らは、環境発電装置は温度センサーが消費するよりも早く電力を補充するため、システムが長期間動作を維持できると述べている。
電圧を上げてエネルギーを蓄えた後でも、この方法で得られる電力の規模は依然として非常に小さいです。この制限に適応するために、研究チームは、消費電力がナノワットレベル（ワットの10億分の1）にすぎない超低電力温度センサーを特別に設計しました。レポートによると、このデバイスの消費電力は AirPods ヘッドセットの約 3,000 万分の 1 です。
研究者らは、グラフェンインダクターはすぐにはエネルギーを収集しないが、それでもコンデンサーに蓄えられたエネルギーを継続的に補充するには十分であると述べた。近くに十分な電磁エネルギー源がある限り、システムは理論的には無期限に動作できます。同時に、コンデンサは余剰電力を蓄えることもできるため、周囲の電力が一時的に遮断された場合でも、デバイスは引き続き動作し続けることができます。研究チームの推定によれば、蓄えられた電荷によってセンサーは少なくとも 24 時間動作し続けることができ、場合によっては約 1 週間持続することも予想されます。
研究のリーダーであるポール・シバド教授は、インダクタがコンデンサに電荷を補充する速度は遅いものの、それでもセンサーが電力を消費する速度よりも速いと指摘しました。したがって、停電後でも、システムはコンデンサに蓄えられたエネルギーで長期間動作し続けることができます。
研究チームは、このテクノロジーが大規模な産業施設の温度監視ネットワークに最適であると考えています。多くの場合、工場、パイプライン システム、さまざまな機械設備の周囲に何千ものセンサーを配置する必要があります。従来のソリューションでは、複雑な電源配線が必要か、バッテリーを頻繁に交換する必要がありました。新しいテクノロジーの採用により、多くのセンサーが配線やバッテリーのメンテナンスを必要とせずに長時間動作することが期待されています。
しかし、研究者らはこのテクノロジーの限界も強調しました。まず、デバイスは、いかなる環境でも薄い空気から発電できないほど十分に強い磁場の変化の近くに設置する必要があります。第二に、現在の実験では、システムが完全に電力ゼロの状態で単独で起動できることは証明されていません。テストプロセス中に、コンデンサをプリチャージし、プロセッサを事前にプログラムする必要があります。さらに、システムの出力電力は非常に低く、現時点では特別に設計された超低電力センサーのみを駆動できますが、これはスマートフォンなどの通常の電子デバイスに電力を供給するには十分ではありません。
それにもかかわらず、チームはこの成果が将来の自己給電型センサーの開発に重要な方向性を与えると信じています。将来的には、温度監視に加えて、製品追跡、大気環境監視、物流車両管理、土壌監視、ウェアラブル健康機器、医療追跡などの多くの分野でも同様の技術が使用される可能性があります。
同時に、研究者らは音響エネルギー、非線形エネルギー、太陽エネルギー、熱エネルギー、運動エネルギー、その他の環境放射線源を発電に利用することも検討しており、最終的には複数の環境エネルギー源から同時に電力を取得して真の長期メンテナンスフリー動作を実現できる自律型センサー システムを開発したいと考えています。
関連する研究結果は、Journal of Vacuum Science and Technology に掲載されています。
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