[論文レビュー] Towards a Green and Self-Powered Internet of Things Using Piezoelectric Energy Harvesting

Mahyar Shirvanimoghaddam, Kamyar Shirvanimoghaddam+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Energy Harvesting in Wireless Networks被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、アクセスが困難または保守が煩雑な環境において、持続可能で自己駆動型のソリューションとして圧電エネルギー回収を提案する。周囲の機械的振動を電気エネルギーに変換することで、圧電発電素子は長期的かつバッテリー不要の運用を可能にし、デバイスの寿命を著しく延長し、医療、産業監視、スマートインfra構造物など、グリーンでスケーラブルなIoT展開を支援する。

ABSTRACT

Internet of things (IoT) is a revolutionizing technology which aims to create an ecosystem of connected objects and embedded devices and provide ubiquitous connectivity between trillions of not only smart devices but also simple sensors and actuators. Although recent advancements in miniaturization of devices with higher computational capabilities and ultra-low power communication technologies have enabled the vast deployment of sensors and actuators everywhere, such an evolution calls for fundamental changes in hardware design, software, network architecture, data analytic, data storage and power sources. A large portion of IoT devices cannot be powered by batteries only anymore, as they will be installed in hard to reach areas and regular battery replacement and maintenance are infeasible. A viable solution is to scavenge and harvest energy from environment and then provide enough energy to the devices to perform their operations. This will significantly increase the device life time and eliminate the need for the battery as an energy source. This survey aims at providing a comprehensive study on energy harvesting techniques as alternative and promising solutions to power IoT devices. We present the main design challenges of IoT devices in terms of energy and power and provide design considerations for a successful implementations of self-powered IoT devices. We then specifically focus on piezoelectric energy harvesting and RF energy harvesting as most promising solutions to power IoT devices and present the main challenges and research directions. We also shed light on the security challenges of energy harvesting enabled IoT systems and green big data.

研究の動機と目的

• アクセスが困難な場所や大規模な展開において、バッテリー交換が現実的でないため、トランジスタ数が数兆台に達する低消費電力IoTデバイスを駆動するという、極めて重要な課題に取り組む。
• 長期間にわたるIoT運用の代替手段として、特に圧電およびRFエネルギー回収を含むエネルギー回収技術が実用的で持続可能な選択肢であることを特定する。
• 圧電エネルギー回収を用いた自己駆動型IoTシステムの実装における設計的・技術的・セキュリティ上の課題を分析する。
• 信頼性と出力電力の両面で優れた圧電材料が、構造健全性モニタリングおよびウェアラブル医療デバイスにおける応用可能性を強調する。
• IoTエコシステムにおけるスケーラビリティ、効率性、実世界での展開を焦点に、エネルギー回収技術の包括的サーベイを提供する。

提案手法

• 2025年までに500億台を超える予想されるIoTデバイスの増加を踏まえ、大規模展開における持続可能な電源ソリューションの必要性を強調する。
• 複数のエネルギー回収技術を評価し、特に圧電およびRFエネルギー回収を主な候補として詳細に分析する。
• 圧電効果の物理的メカニズムを説明する：PZT や PVDF などの材料に機械的応力が加わると電荷が発生し、周囲の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能である。
• インピーダンス整合、電力管理回路、間歇的エネルギー回収に適したエネルギー貯蔵技術を含む、システム統合上の課題をレビューする。
• 圧電発電素子がバッテリーを置き換える実世界の応用例、例えば構造健全性モニタリング、ウェアラブルセンサー、産業用センサーを分析する。
• 市場動向と主要プレーヤーを検討し、2018年の市場規模14500万ドルから2022年までに66700万ドルにまで拡大すると予測しており、産業的採用の可能性が著しく高いことを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧電エネルギー回収は、アクセスが困難な場所や大規模な環境において、どのように長期的かつバッテリー不要のIoTデバイス運用を可能にするか？
• RQ2 低消費電力IoTシステムに圧電発電素子を統合するにあたり、主な技術的および設計上の課題は何か？
• RQ3 IoTアプリケーションにおいて、効率性、信頼性、スケーラビリティの観点から、圧電エネルギー回収はRFや太陽光など他のエネルギー回収手法と比べてどう異なるか？
• RQ4 産業、医療、スマートインfra構造物の文脈において、圧電エネルギー回収の主な応用分野と市場駆動要因は何か？
• RQ5 エネルギー回収は、特にグリーンビッグデータシステムにおいて、IoTセキュリティおよびデータ管理にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 圧電エネルギー回収は、単位体積あたりの出力が高く、信頼性も高いことから、長期的かつ保守不要なIoT展開に最適なソリューションを提供する。
• 圧電エネルギー回収市場は、2018年の14500万ドルから2022年までに66700万ドルにまで拡大すると予測されており、産業的・商業的な成長の兆しを示している。
• 橋梁、建物、航空機などの構造健全性モニタリングシステムは、周囲の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する圧電発電素子により、無限に近い運用が可能になる。
• ウェアラブルおよび埋め込み型医療デバイスは、バッテリー交換の必要性を排除し、患者の快適性を向上させるために、圧電エネルギー回収の恩恵を受けることができる。
• 石油・ガス分野や遠隔監視分野における産業的応用では、圧電発電素子が電線式電源インfraの代替手段としてコスト効率に優れた選択肢を提供する。
• 進展は見られるものの、LPWANベースのIoTデバイスでは、送信電力が高いためバッテリーの使用が依然として不可欠であるが、エネルギー回収により再充電が可能となり、バッテリー寿命が著しく延びる。