| 研究課題/領域番号 |
23K22736
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01465 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21010:電力工学関連
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
北川 章夫 金沢大学, 電子情報通信学系, 教授 (10214785)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2022年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
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| キーワード | 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 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
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。
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| 研究実績の概要 |
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。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
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。
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| 今後の研究の推進方策 |
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。
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