環境発電ハンドブック 第2版

出版:エヌ・ティー・エス 出版年月:2021年10月

環境発電ハンドブック 第2版 ~機能性材料・デバイス・標準化:IoT時代で加速する社会実装~
Energy Harvesting Handbook, 2nd Edition
-Functional Materials/Device/Standardization: Social Implementation accelerating in the IoT era-

ページ数 528
税込価格 57,200円
税抜価格 52,000円
種別 日本語調査報告書

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旧版「環境発電ハンドブック」は,環境の中に薄く広く存在するエネルギーから電力を取り出し発電する“環境発電(エネルギーハーベスティング)”を概観し,原理,材料,応用技術をとりまとめたものとして2012年に発刊致しました。それから早いもので9年が経ち,IoTに注目が集まるに従って,環境発電は専門家以外の多くの方々にも知られる技術となりました。

 本書では,第1編の総論で環境発電の意義を述べ,第2編ではその基礎である,振動発電,熱電発電,光発電の原理,そして無線電力伝送の原理を解説しました。また,環境発電では材料技術がとくに重要であり,これが我が国の強みであることから,第3編では環境発電のための材料技術の項目のさらなる充実をはかりました。さらに,第4編では応用,実例を取り上げ,第5編では市場動向と展望・標準化について解説しました。最新の応用技術から市場動向まで,最先端の情報を数多く盛り込むことができるように,第一線の研究者・技術者の方々に執筆をお願いしました。特に第3編,第4編は大幅に項目を入れ替えており,旧版よりもページ数も増えて,充実した内容にとりまとめることができたと自負しております。

・IoTデバイスの電源として社会実装が進む環境発電を網羅!
 Society5.0の鍵「センサー」のキーテクノロジー。
・2050年、二酸化炭素ゼロ計画に必須の技術!
 身の回りの発電へ、気付きの1冊!
・最新の応用研究から市場動向まで、最先端の情報を数多く掲載!
・旧版から9年ぶりの内容大幅刷新!
・環境発電に携わる研究者・技術者や、高付加価値の
 次世代エネルギーに関心のある方など、全ての方々に。

【監修者】
 鈴木 雄二(東京大学)
【編集委員】
 秋永 広幸(国立研究開発法人産業技術総合研究所)、神野 伊策(神戸大学)、篠原 真毅(京都大学)、
 竹内 敬治(株式会社エヌ・ティ・ティ・データ経営研究所)、八馬 弘邦(コマツ)、
 舟橋 良次(国立研究開発法人産業技術総合研究所)、宮﨑 康次(九州工業大学)

【主な目次】
第1編 総論:環境発電の意義
第2編 環境発電の原理
 第1章 振動発電の原理
 第2章 熱電発電
 第3章 光発電
 第4章 電磁波環境発電と空間伝送型ワイヤレス給電
第3編 環境発電の材料 ~IoT時代に向けて~
 第1章 振動発電
 第2章 熱電発電
 第3章 光発電
第4編 応用・実例
 第1章 振動・力学的発電
 第2章 熱電発電
 第3章 光発電など
 第4章 電磁波発電と無線電力伝送(マイクロ波とワイヤレス給電)
 第5章 周辺技術
第5編 市場動向と展望・標準化
 第1章 IoT 時代に向けて ― スマート社会を推進する最先端センシングの動向
 第2章 環境発電の社会インフラ市場への応用
 第3章 エネルギーハーベスティングコンソーシアム
 第4章 排熱発電コンソーシアム
 第5章 環境発電の市場動向
 第6章 環境発電の国際標準化


目次

第1編
総論:環境発電の意義 《鈴木雄二》

  1.環境発電とは
  2.身の回りに存在するエネルギー源とエネルギー変換
  3.環境発電のアプリケーション
  4.環境発電の導入メリット
  5.国内外における環境発電関連の研究開発状況
  6.まとめ

第2編
環境発電の原理

第1章 振動発電の原理 《鈴木雄二》
  1. 環境振動を使った発電
  2. 環境振動の特性
  3. 振動発電器の力学的特性
  4. 振動エネルギーから電気的エネルギーへの変換
  5. 広帯域振動周波数への対応
  6.まとめ

第2章 熱電発電 《山本 淳》
  1. はじめに
  2. 熱電発電の原理と応用

第3章 光発電 《山口真史》
  1. はじめに
  2. 発電原理と変換効率
  3. 種々の太陽電池
  4. さらなる高効率化を目指して
  5. 太陽光発電の導入状況と今後の展望

第4章 電磁波環境発電と空間伝送型ワイヤレス給電 《篠原真毅》
  1. はじめに
  2. 電波環境発電の研究開発現状
  3. 空間伝送型ワイヤレス給電の研究開発現状
  4. おわりに

第3編
環境発電の材料 ~IoT時代に向けて~

第1章 振動発電
1 非鉛圧電薄膜材料 《神野伊策》
  1. はじめに
  2. 非鉛圧電材料研究の背景およびその材料的特徴
  3. AlN圧電薄膜
  4. KNN圧電薄膜
  5. 非鉛KNN薄膜を用いた非鉛圧電振動発電素子
  6. まとめ
2 窒化アルミニウム圧電薄膜 《秋山守人》
  1. 窒化アルミニウム (AlN) 薄膜の特徴
  2. 他元素添加によるAlN薄膜の圧電性の向上
  3. AlN薄膜の圧電振動発電への応用
  4. まとめ
3 圧電ポリマーの分子配向と多層膜化の効果 《石田謙司/堀家匠平》
  1. はじめに
  2. 圧電型振動発電と有機圧電材料
  3. 圧電ポリマー薄膜の振動発電特性
  4. おわりに
4 圧電ポリマーの特徴と製法 《中嶋宇史》
  1. はじめに
  2. 振動発電可能なポリマー材料
  3. 強誘電性高分子の構造と成膜方法
  4. 発電特性の見積もり
  5. 振動発電の実施例
  6. おわりに
5 ポリマー・エレクトレット 《鈴木雄二》
  1. エレクトレットとは
  2. エレクトレットの表面電荷密度と安定性
  3. ポリマー・エレクトレット
  4. 分子レベルのエレクトレットの解析
  5. まとめ
6 無機エレクトレット材料 《安野功修》
  1. はじめに
  2. 無機エレクトレットと表面処理材料
  3. 環境発電のための材料
  4. おわりに
7 エレクトレットの荷電技術 《鈴木雄二》
  1. はじめに
  2. コロナ荷電
  3. 電子ビームによる荷電
  4. 光電離を用いた荷電技術
  5. イオン注入による荷電
  6. 接触荷電
  7. おわりに
8 イオン伝導を利用したセラミックエレクトレット材料 《田中優実》
  1. はじめに
  2. イオン伝導性セラミックスとは
  3. イオン伝導体の電気物性評価
  4. イオン伝導性セラミックスの分極処理
  5. 分極状態の評価
9 自発的に配向する極性有機分子からなるエレクトレット 《田中有弥/松浦寛恭/石井久夫》
  1. はじめに
  2. 自己組織化エレクトレット型振動発電素子(SAE-VEG)
  3. まとめ
10 イオン液体ゲルを用いた電気二重層エレクトレット 《小野新平》
  1. はじめに
  2. エレクトレットを利用した振動発電素子
  3. 電気二重層エレクトレットを利用した振動発電素子
  4. むすび
11 トライボエレクトリック材料
―特性向上のための材料開発指針《小野祐樹/高 /杉山 淑/深田直樹》
  1. はじめに
  2. TENG の動作原理と必要な材料
  3. 材料のコンポジットによる特性向上のシミュレーション検討
  4. TENG の評価装置
  5. 帯電層の高誘電率化による発電特性への影響の実際
  6. 材料開発 今後の展望
12 振動発電用の逆磁歪材料《藤枝 俊/鈴木 茂》
  1. はじめに
  2. 磁歪効果と逆磁歪効果
  3. 逆磁歪効果を利用した振動発電の原理と逆磁歪材料の評価指標
  4. 逆磁歪材料の候補
  5. おわりに

第2章 熱電発電
1 磁性を活用した熱電材料 《森 孝雄》
  1. 導入およびパワーファクターを増強する方策
  2. マグノンドラグによる増強
  3. 磁気相互作用(パラマグノンドラグ)による増強
  4. スピン揺らぎによる増強
  5. 新規な磁性半導体熱電材料
  6. 他の磁性関連効果
  7. まとめ
2 熱電変換材料の格子熱伝導率の解析《塩見淳一郎》
  1. はじめに
  2. ナノスケールの格子熱伝導
  3. フォノン輸送解析
  4. より現実的な材料の解析
  5. まとめ:マルチスケール格子熱伝導解析
3 金属シリサイド系半導体 《林 慶/齋藤 亘/中沢駿仁/髙松智寿/宮﨑 讓》
  1. はじめに
  2. CrSi2
  3. Mg2Si
  4. おわりに
4 硫化物材料 《末國晃一郎》
  1. はじめに
  2. Ti-S系
  3. Cu-S系
  4. まとめと展望
5 多重薄膜によるナノ構造熱電材料の開発《足立真寛/山本喜之/竹内恒博》
  1. はじめに
  2. ナノ構造熱電材料の作製とナノ構造の制御
  3. おわりに
6 Mg3Sb2系ジントル相熱電材料 《菅野 勉》
  1. はじめに
  2. Mg3Sb2系ジントル相熱電材料
  3. Mg3Sb2系熱電材料を用いた発電モジュール
  4. おわりに
7 カルコパイライト構造熱電材料 《小菅厚子》
  1. はじめに
  2. カルコパイライト構造と国内外の熱電材料研究
  3. 室温高圧プレスがカルコパイライト構造の結晶構造と熱電特性に与える影響
  4. カルコパイライト構造材料の高温安定性
  5. おわりに
8 ナノ構造を用いた熱電材料の高性能化 《野村政宏》
  1. はじめに
  2. ナノ構造化による高性能化のしくみ
  3. シリコン薄膜熱電材料開発
  4. おわりに
9 フレキシブル熱電材料 《宮﨑康次》
  1.はじめに
  2.ビスマステルライド(Bi2Te3)薄膜蒸着
  3.印刷技術によるフレキシブル熱電モジュールの生成
  4.塗布できる半導体の熱電応用
  5.まとめ
10 シリコン熱電デバイス 《渡邉孝信》
  1. はじめに
  2. 比発電力密度
  3. 水平型Si 熱電デバイス
  4. 垂直型Si 熱電デバイス
  5. ベンチマーキング
  6. まとめ

第3章 光発電
1 透明導電膜を使わないペロブスカイト太陽電池 《早瀬修二》
  1. はじめに
  2. 櫛型電極を使ったTCO-less ペロブスカイト太陽電池
  3. ポーラス層を使ったTCO-less ペロブスカイト太陽電池
  4. バックコンタクト型ペロブスカイト太陽電池
  5. まとめ
2 全固体色素増感太陽電池 《田中裕二》
  1. はじめに
  2. 全固体型色素増感太陽電池
  3. 全固体型色素増感体電池モジュール
  4. おわりに
3 有機薄膜太陽電池 《北澤大輔》
  1. はじめに
  2. 有機薄膜太陽電池の構造
  3. 光電変換効率の改善
  4. 高耐久化
  5. 内部構造解析
  6. 応用開発事例
  7. おわりに
4 ポルフィリン材料を用いた有機薄膜太陽電池 《小汲佳祐/松尾 豊》
  1. はじめに
  2. ドナー材料としてのポルフィリン化合物の応用
  3. ポルフィリン化合物をアクセプター材料として応用した報告例
  4. おわりに

第4編
応用・実例

第1章 振動・力学的発電
1 電磁誘導型発電デバイス
― エネルギーハーベスティングの可能性,無電源車両検知システムへの展開 《青柳智英》
  1. はじめに
  2. EH によるIoT ソリューションへのアプローチ
  3. 無電源車両検知システムへの展開
  4. おわりに
2 磁歪材料を利用した振動発電とIoT 応用 《上野敏幸》
  1. はじめに
  2. デバイスの構造と動作原理,特徴
  3. デバイスの特性
  4. 磁歪振動発電による電池フリーIoT
  5. まとめ
3 圧電振動発電デバイスの設計 《吉村 武》
  1. はじめに
  2. 設計の基礎
  3. 設計例
  4. まとめ
4 3次元ポリマー構造を用いたMEMS振動発電デバイス 《鈴木孝明》
  1. はじめに
  2. 圧電ポリマーと微細3 次元構造を用いた振動発電の原理
  3. ポリマー材料の微細加工
  4. 振動発電デバイスの性能評価
  5. まとめ
5 振動発電素子を用いたスマートシューズ《神野伊策》
  1. はじめに
  2. 圧電材料を用いたウェアラブル発電技術
  3. 圧電振動発電素子を用いたバッテリーフリー・スマートシューズ
  4. まとめ
6 倍密度電極による差動出力MEMSエレクトレット発電器 《藤田孝之》
  1. はじめに
  2. 倍密度電極構造
  3. 発電評価結果
  4. 無線センサノード駆動
  5. まとめ
7 ウェアラブルデバイス向けの回転型エレクトレット発電機 《鈴木雄二/三好智也》
  1. 人体運動に適合する回転振動発電
  2. 従来の回転振動発電機の試作例
  3. PCB 基板を用いた回転型エレクトレット発電機
  4. 回転型エレクトレット発電機の電源管理回路
  5. 回転型発電機の評価
  6. まとめ
8 カリウムイオンエレクトレットによるMEMS振動発電デバイス《三屋裕幸/芦澤久幸》
  1. はじめに
  2. MEMS 櫛歯電極のエレクトレット化
  3. 発電デバイス特性
  4. おわりに
9 発電素子を電源としたイベントドリブン型無線センサ端末 《山田駿介/年吉 洋》
  1. はじめに
  2. 間歇駆動の種類
  3. イベントドリブン回路
  4. 応用例:無線通信デモンストレーション(無線センサ端末)
  5. おわりに
10 発電用多層高分子エレクトレットフィルム ―BLE 通信への適用 《田實佳郎》
  1. はじめに
  2. エレクトレット多層フィルム
  3. エネルギーハーベスティング材料としてのエレクトレットFEP/p-PTFE/FEP 多層フィルム
  4. 実用環境発電回路の適用例
  5. まとめ
11 IoT 機器の電池レス化 《刀禰直生》
  1. はじめに
  2. 環境発電デバイスの開発
  3. 振動発電デバイス
  4. 試作品でのIoT 機器動作例
  5. 環境発電デバイス開発のまとめ
  6. 今後の展望
  7. おわりに

第2章 熱電発電
1 酸化物材料を用いた熱電発電 《舟橋良次》
  1. 携帯機器と電力
  2. 熱電発電
  3. 熱電材料
  4. 熱電モジュールとカスケード構造
  5. 発電鍋
  6. アフリカにて……
  7. まとめ
2 折り紙構造を持つフレキシブル熱電発電デバイス 《寺嶋真伍/岩瀬英治》
  1. はじめに
  2. 折り紙構造を適用した熱電発電デバイス
  3. 折り紙構造を放熱フィンと見なした熱電発電デバイス
  4. おわりに
3 フレキシブル構造熱電発電モジュール 《南部修太郎/岡嶋道生》
  1. はじめに
  2. 独自のフレキシブル熱電発電モジュール「フレキーナ® 」
  3.「 フレキーナ® 」による自立電源システムの共同開発
  4. 商品化する製品
  5. おわりに
4 地表と土中の温度差で駆動される農業用センサ 《池田夏輝/繁田 亮/塩見淳一郎/川原圭博》
  1. はじめに
  2. 屋外での環境発電
  3. 地表と土中の温度差で駆動される土壌センサ
  4. まとめ
5 熱電発電による環境発電とその応用 《八馬弘邦》
  1. はじめに
  2. 熱電変換技術とその応用
  3. 熱電エネルギーハーベスタの発電性能
  4. 熱電EH 無線デバイスによる設備モニタリング

6 スタック型熱電発電ユニット《西当弘隆/山本 淳》
  1. 課 題
  2. 概 要
  3. 発電特性
  4. 今後の展開
7 下水水位モニタリングシステム用熱電発電装置 《中川香苗》
  1. はじめに
  2. 熱源温度シミュレーション
  3. 蓄熱材―潜熱蓄熱材と顕熱蓄熱材―
  4. 熱電発電装置
  5. 発電量
  6. 実証実験
  7. おわりに

第3章 光発電など
1 色素増感太陽電池のワイヤレスシステム電源への応用 《岡田顕一/松井浩志》
  1. はじめに
  2. DSSC を用いたセンシングシステム
  3. センシングシステムの使用例
  4. 色素増感太陽電池を使用したシステムの設計
  5. おわりに
2 光発電Bluetooth ウオッチ 《池 卓丙》
  1. IoT をとりまく近年の状況
  2. ウオッチ(腕時計)と光発電
  3. 光発電Bluetoothウオッチ「Eco-Drive Bluetooth」
  4.「 Eco-Drive Riiiver」
  5. これからの光発電腕時計の展望
3 植物発電センサシステム《道関隆国/田中亜実》
  1. はじめに
  2. 植物発電電池
  3. 植物発電センサの原理
  4. 植物発電センサシステムによるモニタリング例
  5. まとめ

第4章 電磁波発電と無線電力伝送(マイクロ波とワイヤレス給電)
1 環境電波からのエネルギーハーベスティング技術 《石橋孝一郎/ Nguyen Thuy Linh》
  1. あらまし
  2. IoT 技術における環境発電への期待
  3. RF エネルギーハーベスティングの基礎
  4. 環境電波の性質とPAPR とQファクター
  5. 整流回路の構造と設計
  6. ケータイプラチナバンドからの環境電波発電
  7. まとめ
2 放送・通信電波を電気エネルギーに 《野口啓介》
  1. はじめに
  2. 受信電力推定値
  3. アンテナの高インピーダンス・広帯域化
  4. 受信電力レベル
  5. おわりに
3 無線給電システム実用化の課題とレクテナ 《伊東健治》
  1. まえがき
  2. 基本動作と課題
  3. 誘導性折り返しダイポールアンテナを用いる500MHz 帯広帯域レクテナ
  4. 微小ループアンテナを用いる1MHz 帯レクテナ
  5. あとがき

第5章 周辺技術
1 エネルギーハーベスティングに必要な電源マネジメント 《林 哲平》
  1. エネルギーハーベスティングシステムにおける電源制御の役割
  2. 電圧監視回路
  3. 電圧監視回路を用いたシステム構成例
  4. まとめ
2 超低消費電力SOTB プロセスを採用した環境発電IoT 機器向けMCU 《加留部善哉》
  1. はじめに
  2. SOTB プロセスの特長
  3. SOTB プロセスを採用した「REファミリ」の特長
  4. 環境発電IoT 機器市場の要求
  5. おわりに
3 リチウムイオンキャパシタ 《石田克英》
  1. はじめに
  2. リチウムイオンキャパシタの特徴
  3. リチウムイオンキャパシタのラインナップ
  4. リチウムイオンキャパシタのアプリケーション
  5. 環境発電とリチウムイオンキャパシタの組み合わせ
4 薄型・小型リチウムイオン二次電池 《岩井 真/大和田 巌》
  1. はじめに
  2. チップ型セラミックス二次電池EnerCera®とは
  3. EnerCera® を搭載したメンテナンスフリーIoT デバイス
  4. まとめ
5 SMD タイプのオールセラミック全固体電池 《大石昌弘》
  1. はじめに
  2. SMD タイプの全固体電池とは
  3. 電池特性
  4. SMD タイプ全固体電池の使用方法に関して
  5. エナジーハーベストの蓄電素子としての使用
  6. SMD タイプの全固体電池を用いたエナジーハーベストデバイスの実例紹介
  7. SMD タイプのオールセラミック全固体電池の今後の展望
6 μW 無線センサデバイスに向けた低消費電力電源回路技術 《矢嶋赳彬》
  1. はじめに
  2. 振動発電用の電源回路
  3. 電源回路のタイミング制御
  4. 電源回路の試作チップ
  5. おわりに

第5編
市場動向と展望・標準化

第1章 IoT 時代に向けて 
― スマート社会を推進する最先端センシングの動向 《高浦則克》
  1. はじめに
  2. 環境発電を用いたIoT システム
  3. IoT における環境発電の課題と対策
  4. まとめ

第2章 環境発電の社会インフラ市場への応用 《木下泰三》
  1. はじめに
  2. 環境発電の適用範囲
  3. 環境発電のIoT 適用システム
  4. 環境発電のIoT 期待市場
  5. 社会インフラ・設備機器向けIoT への応用事例
  6. 今後の課題

第3章 エネルギーハーベスティングコンソーシアム 《竹内敬治》
  1. はじめに
  2. 設 立
  3. 拡 大
  4. 活動状況
  5. 今後の活動方針

第4章 排熱発電コンソーシアム《飯田 努》
  1. 排熱発電コンソーシアムのミッション・ターゲットと取り組みの背景
  2. 排熱発電コンソーシアムの概要
  3. SDGs における役割
  4. 具体的な排熱発電コンソーシアム活動と国際連携
  5. 知財および標準化策定の取り組み

第5章 環境発電の市場動向 《竹内敬治》
  1. はじめに
  2. 環境発電市場の概況
  3. 様々な分野における環境発電市場の現状

第6章 環境発電の国際標準化《鈴木雄二》
  1. 標準化の意義
  2. IEC における国際標準化
  3. まとめ


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