現在HEMS、BEMS 能源管理系統正在開(kāi)發(fā)當中。這是一種建筑物中用來(lái)管理使用器械、設備運轉的系統，其目的是為了減少建筑物中的能源消耗。目前，HEMS/BEMS主要致力于將能源消耗量可視化，今后將會(huì )結合傳感器網(wǎng)絡(luò )，用來(lái)檢測室內人體活動(dòng)，門(mén)窗打開(kāi)或關(guān)閉等狀態(tài)，在必要的場(chǎng)合使用能源，而不必要的場(chǎng)合能自動(dòng)節約能源，實(shí)現舒適和節能的目標。

在傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際使用中，電源是挑戰課題之一。通過(guò)用來(lái)減少能耗的傳感器節點(diǎn)達到節能的效果，為了更舒適的生活，我們從未放棄對節點(diǎn)自由安裝的研究。

村田制作所考慮到環(huán)境發(fā)電技術(shù)不適用于這種傳感器節點(diǎn)的電源中，利用壓電效應的振動(dòng)發(fā)電、將溫度差轉換成電能的熱電轉換元件，還有本章介紹的光發(fā)電技術(shù)的多種發(fā)電設備正在開(kāi)發(fā)當中。

光發(fā)電技術(shù)

人類(lèi)活動(dòng)的場(chǎng)所最好是有光線(xiàn)的。收集這種普遍存在于人們生活中的環(huán)保能源并轉換成電能，運用于電子設備中的就是光發(fā)電技術(shù)。這種光發(fā)電技術(shù)一般使用非晶硅太陽(yáng)能電池，而使用于傳感器節點(diǎn)的電源即使是室內微弱的燈光也可發(fā)電，其入射光的角度依賴(lài)性很小，并且以輕薄、不易斷裂的發(fā)電設備為宗旨，這就是村田目前正在開(kāi)發(fā)的以氧化鋅作為原料，色素增感型光發(fā)電技術(shù)。

色素增感型光發(fā)電構造如圖1所示。電路板上使用了樹(shù)脂膜，在電路板上形成透明電極，而在工作電極端的上方則通過(guò)絲網(wǎng)印刷等過(guò)程形成多孔半導體膜，這種膜吸附色素。相反電極是在透明電極上形成Pt等觸媒，這樣就形成了由2層電路板來(lái)密封電解質(zhì)的構造。

色素增感型光發(fā)電技術(shù)的發(fā)電原理即下面反復的氧化還原反應。

1. 對吸附色素的半導體膜上進(jìn)行光照、色素發(fā)射電子。
2. 發(fā)射出的電子經(jīng)由半導體膜、透明電極等移動(dòng)到相反電極。
3. 通過(guò)相反電極上電解質(zhì)中的三碘化物I3- 由催化劑作用還原成碘化物離子3I-。
4. 碘化物離子3I-被色素酸化又變回三碘化物I3-。

                      
                                       
                                             圖1: 色素増感型光發(fā)電設備的構造

我們在制作這種設備時(shí)，重點(diǎn)是盡可能將多孔半導體膜的表面積做大。一般來(lái)說(shuō)要用二氧化鈦作為半導體膜，并且需要經(jīng)過(guò)400度以上的高溫燒制過(guò)程，而作為電路板來(lái)說(shuō)是不可能使用這種膜的。因此，村田制作所以山形大學(xué)吉田司教授的技術(shù)指導為基礎，利用了氧化鋅在低溫條件下可形成多孔半導體膜的原理，開(kāi)發(fā)了使用樹(shù)脂模，輕薄、不易斷裂的色素增感型光發(fā)電設備（參照圖2）。

           
                                                  圖2: 色素増感型光發(fā)電設備的照片

現在，電解質(zhì)、色素這類(lèi)材料的組合、工藝條件進(jìn)展的優(yōu)化，目標是即使在200lux以下微弱的室內光中，也能獲得比非晶硅更多的發(fā)電量而優(yōu)化的開(kāi)發(fā)?？墒悄壳霸谠u價(jià)用的單元格中、在200lux白色LED照明下只能達到7µW/cm2以上的發(fā)電量，即與非晶硅同等或以上的發(fā)電量。

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使用光發(fā)電無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用實(shí)例

使用光發(fā)電技術(shù)收集室內光這種普遍存在于人們生活中的環(huán)保能源并轉換成電能，面向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用實(shí)例介紹如下。

未來(lái)通過(guò)HEMS/BEMS來(lái)謀求使用最少的能源獲得舒適的生活，通過(guò)人體感應傳感器、磁感應傳感器以及溫濕度傳感器來(lái)檢測人體活動(dòng)，門(mén)窗閉合或開(kāi)啟的狀態(tài)，房間的溫濕度，檢測到的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸，從而能夠自動(dòng)控制。這就是「無(wú)線(xiàn)感知系統(參照圖3) 」。

這種「無(wú)線(xiàn)感知系統」中傳感器節點(diǎn)的電源使用了光發(fā)電技術(shù)，還使用了無(wú)線(xiàn)通信來(lái)傳輸檢測到的數據，不需要外部電源，可輕松設置。今后，為了實(shí)現免維護的傳感器節點(diǎn)，在光發(fā)電技術(shù)的開(kāi)發(fā)中，將通過(guò)提高特性來(lái)實(shí)現設備小型化與長(cháng)期高可靠性的結合。

     
                                                           圖3: 無(wú)線(xiàn)感知系統

村田制作所在橫浜的智能社區智能小區內設置了安裝該光發(fā)電技術(shù)的無(wú)線(xiàn)感知系統實(shí)驗儀器（參考圖4），在接近實(shí)際環(huán)境的室內使用光發(fā)電技術(shù)來(lái)獲得能源，除了評估能否穩定的傳輸和接收檢測到的數據，從而把握客戶(hù)需求，通過(guò)無(wú)線(xiàn)感知系統調查所使用的電子元器件對性能和可靠性的需求。此外，將來(lái)還會(huì )對能量收集市場(chǎng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)以及新產(chǎn)品的研發(fā)展開(kāi)研究。
            
                                                                  傳感器網(wǎng)絡(luò )應用實(shí)例


                        
                                      圖4:橫浜智能社區 智能小區內設置的「無(wú)線(xiàn)感知系統」

※1 HEMS (Home Energy Management System) 、BEMS (Building Energy Management System) 指使用于家庭、建筑物內，用來(lái)將能量可視化，從而達到最優(yōu)控制消耗的系統。
※2 村田制作所正在研發(fā)的色素增感太陽(yáng)能電池是指專(zhuān)門(mén)針對室內光收集的特別開(kāi)發(fā)，稱(chēng)之為“光發(fā)電設備”而并非“太陽(yáng)能電池”。
※3 橫浜智能社區指橫浜市、企業(yè)、大學(xué)等成員，以與環(huán)境友好的節能生活為目標的團體。
※4 智能小區研究和實(shí)證以橫浜智能社區為中心，參加的企業(yè)、團體不給自然環(huán)境帶來(lái)負擔，追求以節能、循環(huán)型社會(huì )體系為目標的社區模式的場(chǎng)所。