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Wide-area distributed energy harvesting system with sub-0.1V microelectronics

Research Project

Project/Area Number 23K22736
Project/Area Number (Other) 22H01465 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 21010:Power engineering-related
Research InstitutionKanazawa University

Principal Investigator

北川 章夫  金沢大学, 電子情報通信学系, 教授 (10214785)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Keywordsエネじーハーベスティング / 環境発電 / 超低電圧 / 電源回路 / Battery-less IoT / エナジーハーベスティング / AC-DCコンバータ / DC-DCコンバータ / 振動発電 / 自然電気化学電池 / 理想整流回路 / バッテリーレス / IoT
Outline of Research at the Start

IoT向け無線センサデバイスへの環境発電技術の応用を目的として、微弱振動、微小温度
差などによる低電圧出力環境発電デバイスから安定化出力を得る超低電圧電源回路について検討を行う。新規に開発したバックアップ電源を必要としない理想整流回路を利用し、0.1V以下から動作する各種の昇圧型電源回路を試作する。また、試作した電源回路を利用して、工場、道路、山林などに分散した環境発電デバイスから効率的に電気エネルギーを集めるための方法を提案する。本研究により、従来は利用できなかった微小エネルギーが利用可能になり、環境エネルギーのみで駆動される完全なエナジーハベスティング無線ネットワークの実現が期待できる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、微小環境エネルギーを利用するため、0.1V以下の交流電圧または直流電圧から動作し、昇圧および安定化するための電源回路の方式を提案し、環境発電デバイスを用いた実験により動作を実証する。また、提案した回路のエネルギー変換効率を最大化する条件を、理論、シミュレーション、実験を通して明らかにする。また、提案した回路を用いて、フィールドに分散した環境発電デバイスのネットワークから損失無く電気エネルギーを集める方法を提案し、環境発電デバイスの数とエネルギー変換効率の関係を、理論、シミュレーション、実験を通して明らかにし、環境発電技術のIoT応用に貢献する。
2023年度の研究では、0.01V以下の入力電圧から動作する理想整流回路を用いてコッククロフト-ウォルトン型の昇圧整流回路を構成し、高効率機械振動-電気振動変換デバイスである磁歪式振動発電デバイスによる直流電力の蓄電を確認した。他に試作した回路方式と比べて、コッククロフト-ウォルトン型昇圧整流回路のエネルギー変換効率が高いことが確認されたため、この回路方式に絞って、エナジーハーベスティンの実験を行い、微小振動のエネルギーを電気エネルギーに変換できることを示した。また、磁歪式振動発電デバイスと理想整流回路のエネルギー伝送効率を最大化するための条件を求めた。さらに、IoTへの応用可能性を確認するため、試作した磁歪式振動発電デバイスを接続することができる低消費電力無線センサデバイスの試作を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画通り、2022年度に試作した理想整流回路を用いて、コッククロフト-ウォルトン型昇圧整流回路、同期式磁束コンバータ、超低電圧発振器内蔵ブーストDC-DCコンバータの性能評価を実施し、エネルギー変換効率の良いコッククロフト-ウォルトン型昇圧整流回路と磁歪式振動発電デバイスを用いて、0.1G以下の微小振動により電気エネルギーが蓄積されることを確認した。また、磁歪式振動発電デバイスと理想整流回路のエネルギー伝送効率を最大にする回路接続方法を明らかにした。複数の微小発電デバイスからの電気エネルギーを集約する方法について検討を行い、次年度に広域分散型エナジーハーベスティングを行うための準備をした。

Strategy for Future Research Activity

2023年度に試作した磁歪式振動発電デバイスとコッククロフト-ウォルトン型昇圧整流回路を用いて、複数の分散された発電デバイスから、1個のキャパシタに電気エネルギーを集約する広域分散型エナジーハーベスティングのための制御回路の試作を行い、その特性および性能評価を実施する。また、収集した電気エネルギーを用いて、IoTデバイスが駆動できることを実証する。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (4 results)

All 2023 2022

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Ring slot CP antenna for the hybrid electromagnetic solar energy harvesting and IoT application2023

    • Author(s)
      Irfan Mujahidin, Akio Kitagawa
    • Journal Title

      Telecommunication Computing Electronics and Control

      Volume: 21 Issue: 2 Pages: 290-301

    • DOI

      10.12928/telkomnika.v21i2.24739

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hand Gesture Recognition-Based Control System Using Computer Vision for Transporter Robot2023

    • Author(s)
      Bagas Martinus Rianu, Akio Kitagawa, Wahyu Dirgantara
    • Journal Title

      2023 International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics, and Telecommunications

      Volume: 2023 Pages: 242-247

    • DOI

      10.1109/icramet60171.2023.10366557

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analyzes of Chirps Spread Spectrum of ES920LR LoRa 920MHz2022

    • Author(s)
      Puput Dani Prasetyo Adi, Yuyu Wahyu, and Akio Kitagawa
    • Organizer
      11th Electrical Power, Electronics, Communications, Controls and Informatics
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 整流回路、昇圧回路およびSMFE回路2022

    • Inventor(s)
      北川章夫
    • Industrial Property Rights Holder
      国立大学法人金沢大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2022-039930
    • Filing Date
      2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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