圧電エネルギーハーベスティングシステム市場 – 世界の産業規模、シェア、トレンド、機会、予測、技術別（光エネルギー、振動エネルギー、熱エネルギー、その他）、コンポーネント別（トランスデューサー、電力管理集積回路、ストレージシステム）、地域別、競合別2018-2028年

市場概要

世界の圧電エネルギーハーベスティングシステム市場は、2022年に5億9,793万米ドルと評価され、2028年までの予測期間中に4.75％のCAGRで堅調な成長が見込まれています。圧電エネルギーハーベスティングは、材料の変形または圧縮に加えられる応力の量、材料の結晶の変形の種類と量、および材料への振動または圧縮の周波数または速度に応じて、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するプロセスです。その効果は可逆的なプロセスであり、直接的な圧電効果、つまり応力による電荷分離を示す材料は、逆の圧電効果、つまり電界が適用されるときに応力と歪みの発生も示します。

主要な市場推進要因

持続可能なエネルギーに対する需要の高まり

持続可能なエネルギー源に対する世界的な需要は、圧電エネルギーハーベスティングシステム市場の成長の原動力となっています。世界が環境問題と二酸化炭素排出量の削減の必要性に取り組む中、圧電エネルギーハーベスティングシステムは、クリーンかつ再生可能で環境に優しい電源を提供する魅力的なソリューションとして浮上しています。圧電エネルギーハーベスティングシステムの採用の主な推進要因の1つは、気候変動に対する意識の高まりと、化石燃料からの移行の緊急の必要性です。国や業界が野心的な持続可能性の目標を達成し、温室効果ガスの排出を削減しようと努める中、エネルギー生成の環境影響を軽減するのに役立つ再生可能エネルギー技術に焦点が移っています。圧電エネルギーハーベスティングは、有害な排出物を出さずに機械の振動や動きから電気を生成するため、この課題に完全に合致しています。

さらに、持続可能なエネルギー源の必要性は、気候変動への対応だけにとどまりません。エネルギーの安全性と回復力に対する要望も含まれています。圧電エネルギーハーベスティングシステムは、さまざまな用途で局所的な発電を提供でき、集中型エネルギーグリッドへの依存を減らし、特に遠隔地やオフグリッドの場所でエネルギー回復力を高めることができます。同時に、持続可能なエネルギーの経済的メリットに対する認識が高まっています。圧電エネルギーハーベスティングは、従来のエネルギー源やバッテリーへの依存を減らすことでコスト削減につながります。これらのシステムは、リモート監視デバイスやインフラストラクチャセンサーなど、バッテリーの交換やメンテナンスのコストが高い用途で特に有利です。

さらに、持続可能な慣行に対する世界的な取り組みにより、圧電エネルギーハーベスティングを含む再生可能エネルギー技術の採用を促進するための規制上のインセンティブや補助金が生まれました。世界中の政府や組織は、これらのシステムをさまざまな用途に統合することを奨励するために、金銭的なインセンティブやサポートを提供しています。持続可能なエネルギーソリューションの需要が急増する中、世界の圧電エネルギーハーベスティングシステム市場は大幅な成長が見込まれています。これらのシステムは環境に優しい代替手段を提供するだけでなく、エネルギーの安全性、経済的な節約、エネルギーの回復力にも貢献します。持続可能性にますます重点が置かれる世界では、圧電エネルギーハーベスティングシステムは、クリーンかつ効率的なエネルギー生成の未来を形作る上で極めて重要な役割を果たす立場にあります。

小型化と IoT デバイス

小型化と急成長するモノのインターネット (IoT) の状況は、世界の圧電エネルギーハーベスティングシステム市場を新たな高みへと押し上げる強力な原動力となるでしょう。これら 2 つのトレンドの融合により、コンパクトで効率的かつ持続可能な電源の需要が急増し、圧電エネルギーハーベスティングシステムが最適なものとして浮上しました。IoT デバイスの急速な普及により、私たちが環境と対話し、データを収集する方法が変化しています。スマート サーモスタットからウェアラブル フィットネス トラッカー、産業用センサーに至るまで、これらのデバイスは私たちの日常生活や産業に不可欠なものになりつつあります。しかし、多くの IoT デバイスの弱点は、扱いにくく、有限で、環境に優しくない従来のバッテリーに依存していることです。ここで、圧電エネルギー ハーベスティングがゲームチェンジャーとして登場します。

圧電エネルギー ハーベスティング システムは、機械の振動と動きを利用して電気エネルギーに変換します。小型化された IoT デバイスの場合、これは、歩行などの日常的な動作や機械の微妙な振動さえも電源として利用できることを意味します。これにより、IoT デバイスの動作寿命が延びるだけでなく、頻繁なバッテリー交換の必要性が減り、メンテナンス コストが削減され、環境への影響が最小限に抑えられます。さらに、小型化とは、デバイスを小さくすることだけではありません。デバイスをより効率的かつ自立的にすることも意味します。圧電材料は、IoT デバイスの構造そのものに統合することも、コンポーネントに組み込むこともできるため、デバイスの電力効率が向上し、環境に優しくなります。この統合により、適切な条件下で無期限に動作できるエネルギー自律型デバイスが実現します。

IoT が医療、製造、農業、スマート シティなど、さまざまな業界に浸透し続けるにつれて、圧電エネルギー ハーベスティング システムの需要は飛躍的に高まります。これらのシステムは、IoT の中核原則である接続性、持続可能性、効率性と一致しており、IoT 革命に不可欠なものとなっています。材料と技術の進歩により、圧電エネルギー ハーベスティング システムを搭載した小型 IoT デバイスの将来は非常に有望であり、世界市場の成長を促進し、より持続可能で相互接続された世界に貢献します。

主要な市場の課題

限られたエネルギー出力

圧電エネルギー ハーベスティング システムの限られたエネルギー出力は、世界の圧電エネルギー ハーベスティング システム市場の道のりで大きな障害となっています。これらのシステムは再生可能エネルギーの有望な供給源となりますが、エネルギー生産能力が比較的低いため、広範な採用を妨げる課題や制限があります。最も大きな問題の 1 つは、特定の用途ではエネルギー出力が不十分であることです。圧電エネルギー ハーベスティング システムは、主に機械的な振動と動きを利用して発電します。これらの振動は微妙な場合が多く、エネルギー需要の高いデバイスやシステムに電力を供給するのに十分なエネルギーを供給できない可能性があります。そのため、圧電エネルギー ハーベスティングは、センサー、ワイヤレス デバイス、特定の IoT アプリケーションなど、低電力で断続的なアプリケーションに適しています。

この制限は、太陽光や風力など、はるかに多くの電力を生成できる他の再生可能エネルギー源と比較すると特に顕著になります。たとえば、ソーラー パネルは適切な条件下で安定した電力供給を生成できるため、大規模または継続的な電力需要に適しています。エネルギー出力が限られていることに加えて、振動源の変動性も別の課題となります。圧電エネルギー ハーベスティングの効率は、振動の周波数と振幅に大きく依存します。現実のシナリオでは、これらの要因は変動し、発電の一貫性と信頼性に影響を及ぼします。たとえば、都市環境では、歩行者や車両からの振動がデバイスのエネルギー需要と必ずしも一致しない場合があります。さらに、エネルギー出力を考慮すると、圧電エネルギー ハーベスティング システムの費用対効果が疑問視されることがあります。場合によっては、これらのシステムの実装と維持にかかるコストが、特により確立された効率的なエネルギー源と比較した場合、メリットを上回ることがあります。

これらの課題を克服するための取り組みには、エネルギー変換効率を向上させるための高度な材料とエンジニアリング手法の研究、および振動が少ない期間に使用するために収集したエネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵ソリューションの開発が含まれます。ただし、限られたエネルギー出力に対処することは、圧電エネルギー ハーベスティングの適用範囲をより広範なエネルギー集約型アプリケーションに拡大する上で、依然として継続的な課題となっています。要約すると、圧電エネルギー ハーベスティング システムは、持続可能性と環境への配慮の点で紛れもない利点を提供しますが、限られたエネルギー出力は依然として大きな課題です。この制限を克服することは、圧電エネルギーハーベスティングの潜在能力を最大限に引き出し、低電力で断続的なアプリケーションを超えて市場範囲を拡大するために不可欠です。

振動源の変動性

振動源の変動性は、世界の圧電エネルギーハーベスティングシステム市場の成長に対する顕著な障害となります。機械的な振動と動きを電気エネルギーに変換する圧電エネルギーハーベスティングシステムは、これらの振動の特性に大きく依存しています。振動源の不一致と予測不可能性は、これらのシステムの信頼性と効率を著しく損なう可能性があります。基本的な課題の1つは、現実世界の環境における振動の不規則性です。これらの振動は、周波数、振幅、方向が変化する可能性があるため、このエネルギーを一貫して捕捉して電気に変換する圧電エネルギーハーベスティングシステムを設計することは困難です。たとえば、都市環境では、歩行者、車両の動き、その他の振動源が不規則な間隔と強度で発生する可能性があり、いつ、どのくらいのエネルギーを収集できるかを予測することが困難です。

振動源の変動性は、さまざまなアプリケーションや業界が独自の振動プロファイルを持つ可能性があるという事実によって悪化します。たとえば、産業機械で発生する振動は、輸送システムや消費者向け電子機器で発生する振動とは異なります。この振動源の多様性により、カスタマイズされたソリューションとエンジニアリングが必要になり、圧電エネルギー収集システムの実装の複雑さとコストが増加します。さらに、圧電エネルギー変換の効率は共振周波数に大きく依存します。振動が使用する圧電材料の共振周波数と一致しない場合、エネルギー変換効率が最適でなくなり、エネルギー損失が発生する可能性があります。変動し予測できない振動源で共振を実現することは、困難な作業になる可能性があります。

信頼性は、もう 1 つの重要な懸念事項です。リモート監視デバイスや特定の IoT アプリケーションなど、一貫性と信頼性のある電力が求められるアプリケーションでは、振動源の変動により、電力が途絶えたり、エネルギー生成が不十分になったりする可能性があります。この信頼性の低さは、重要なアプリケーションにおける圧電エネルギー ハーベスティング システムの信頼性を損なう可能性があります。

振動源の変動の課題に対処するには、革新的なエンジニアリング ソリューション、適応型アルゴリズム、さまざまな振動条件で効率的に機能する材料と設計の開発が必要です。さらに、予測モデリングとデータ分析は、さまざまな振動源をよりよく理解して活用する上で役立ちます。結論として、振動源の不一致と予測不可能性は、圧電エネルギー ハーベスティング システムの幅広い採用に大きな課題をもたらします。これらの変動に対応できる汎用性と適応性のあるソリューションを開発することは、幅広いアプリケーションと業界でこれらのシステムの信頼性と有効性を高めるために不可欠です。

材料特性

世界の圧電エネルギー ハーベスティング システム市場において、材料特性は大きな課題として際立っています。圧電エネルギー ハーベスティング システムは、機械振動を電気エネルギーに変換できる特殊な材料に依存しています。これらの材料には、この目的に適した独自の特性がありますが、これらのシステムの広範な採用を促進するには、材料特性に関連するいくつかの課題に対処する必要があります。主な課題の 1 つは、効率、耐久性、およびコスト効率の間で適切なバランスをとる材料を見つけることです。圧電材料は、機械エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換する能力を決定する高い圧電係数を示す必要があります。振動から収集されるエネルギーを最大化するには、高い効率を達成することが不可欠です。ただし、優れた圧電特性を持つ材料は高価であり、大量生産が困難な場合があります。

耐久性は、もう 1 つの重要な要素です。圧電エネルギー ハーベスティング システムは、温度変化、湿度、機械的ストレスなどの環境要因にさらされるアプリケーションで使用されることがよくあります。使用する材料は、時間の経過とともに大幅に劣化することなく、これらの条件に耐える必要があります。特に過酷な環境での長期アプリケーションでは、圧電性が高く耐久性のある材料の開発は依然として課題です。材料特性のもう 1 つの側面は、特定のアプリケーションに適した材料を選択することです。特定の振動周波数や振幅には、異なる材料がより適している場合があります。課題は、最適なエネルギー変換効率を確保するために、材料特性を振動源の特性と一致させることです。これには、圧電材料の状況に関する深い理解と、特定のアプリケーション要件に合わせて材料を調整する能力が必要です。さらに、これらの材料の入手と調達が課題となる場合があります。エネルギー ハーベスティング アプリケーションの成長に伴い、高品質の圧電材料に対する市場の需要が高まっており、サプライ チェーンの制約や価格変動につながる可能性があります。さらに、圧電材料の研究が進む一方で、エネルギー生成の環境への影響を減らすという全体的な目標を考えると、持続可能で環境に優しい材料を見つけることがますます重要になっています。

主要な市場動向

IoT とワイヤレス センサー ネットワークの増加

IoT (モノのインターネット) とワイヤレス センサー ネットワークの増加は、世界の圧電エネルギー ハーベスティング システム市場を新たな高みへと押し上げる強力な原動力となっています。この傾向により、さまざまな業界でコネクテッド デバイスとセンサーの状況が変わりつつあり、圧電エネルギー ハーベスティング システムはこれらのデバイスの電力ニーズを満たす上で極めて重要な役割を果たしています。IoT とワイヤレス センサー ネットワークの普及が市場を牽引している仕組みは次のとおりです。低電力デバイスの普及IoT デバイスとワイヤレス センサーは通常、動作寿命を延ばすために低電力でエネルギー効率が高くなるように設計されています。圧電エネルギー ハーベスティング システムは、これらのデバイスに持続可能で信頼性の高いエネルギー源を提供することで、この要件を完全に補完します。

バッテリー交換とメンテナンスの削減多くの IoT およびセンサー アプリケーションでは、頻繁なバッテリー交換は、特にリモート デバイスやアクセスできないデバイスの場合、ロジスティック的に困難でコストがかかります。圧電エネルギー ハーベスティングにより、バッテリー交換の必要性が軽減またはなくなるため、運用コストとメンテナンスの労力が削減されます。デバイス寿命の延長圧電エネルギー ハーベスティング システムで駆動する IoT デバイスとセンサーは、中断することなく長期間動作できます。この長寿命は、一貫したデータ収集と通信が重要なアプリケーションで特に価値があります。

環境センシングIoT およびワイヤレス センサー ネットワークは、空気の質の測定、気象観測所、汚染制御などの環境モニタリングに深く関わっています。圧電エネルギー ハーベスティングにより、これらのデバイスは遠隔地や環境的に敏感なエリアで自律的に動作できるようになり、データ収集の品質と精度が向上します。スマート ビルディングとインフラストラクチャスマート ビルディング アプリケーションでは、圧電エネルギー ハーベスティングを構造に統合して、占有検出、温度監視、エネルギー管理用の IoT センサーに電力を供給することができます。同様に、インフラストラクチャ アプリケーションでは、圧電材料が橋や道路の構造振動からエネルギーを捕捉し、スマート シティ イニシアチブの効率を高めることができます。ウェアラブル デバイスウェアラブル テクノロジー市場は活況を呈しており、多くのウェアラブル デバイスに IoT 機能が組み込まれています。圧電エネルギーハーベスティングは、着用者の動きからエネルギーを引き出し、これらのウェアラブルに電力を供給するために使用でき、頻繁な充電の必要性を減らします。

産業用 IoT (IIoT)産業環境では、ワイヤレス センサー ネットワークが状態監視、予知保全、プロセス最適化に使用されています。圧電エネルギーハーベスティングは、これらのセンサーに自立型電源を提供し、ダウンタイムなしで継続的なデータ収集を保証します。環境の持続可能性圧電エネルギーハーベスティングで駆動する IoT デバイスは、使い捨て電池への依存を減らし、電子廃棄物を最小限に抑えることで、環境の持続可能性に貢献します。研究開発圧電エネルギーハーベスティング技術の研究開発の取り組みは、IoT およびセンサー ネットワーク セクターからの需要の高まりによって推進されています。その結果、材料とシステム設計の革新がもたらされ、エネルギーハーベスティングの効率がさらに高まります。要約すると、IoT とワイヤレス センサー ネットワークの増加はさまざまな業界に革命をもたらしており、圧電エネルギーハーベスティング システムはこの変革の最前線にあります。これらのシステムは、低電力デバイスの広大なネットワークに電力を供給するための信頼性が高く持続可能なソリューションを提供し、デバイスの効率、コスト効率、環境への配慮を高めます。 IoT が拡大し続ける中、世界の圧電エネルギーハーベスティングシステム市場は大幅な成長が見込まれています。

圧電材料の進歩

圧電材料の進歩は、世界の圧電エネルギーハーベスティングシステム市場の成長を牽引する大きな原動力になりそうです。これらの材料は圧電エネルギーハーベスティングの中核をなすものであり、継続的な研究開発の取り組みにより、効率、耐久性、汎用性が継続的に向上しています。圧電材料の進歩が市場をどのように形作っているかを以下に示します。効率の向上高度な圧電材料の主な利点の 1 つは、エネルギー変換効率の向上です。研究者は、機械の振動や動きを効率的に電気エネルギーに変換できる、より高い圧電係数を持つ材料を開発しています。この効率の向上により、圧電エネルギー ハーベスティング システムは同じ入力からより多くの電力を生成できるため、より実用的でコスト効率の高いシステムになります。

周波数範囲の拡大高度な圧電材料は、より広い範囲の周波数で動作できるため、より広い範囲の振動源からエネルギーを捕捉できます。この適応性は、産業機械の低周波振動から家庭用電化製品の高周波振動まで、さまざまなアプリケーションに不可欠です。耐久性と信頼性耐久性は、特に圧電エネルギー ハーベスティング システムが過酷な環境にさらされるアプリケーションでは重要な要素です。材料の進歩により、温度変化、湿度、機械的ストレスに大きな劣化なく耐えられる、より堅牢で耐久性のあるオプションが実現しました。これにより、これらのシステムの信頼性と寿命が向上します。

小型化デバイスの小型化とコンパクト化の傾向が続く中、圧電材料もこれらの要求を満たすように進化しています。高度な材料は小型アプリケーションに合わせて調整できるため、ウェアラブルや IoT センサーなどのより小型で効率的なデバイスにエネルギー ハーベスティング機能を統合できます。カスタマイズと調整：研究者は、特定のアプリケーションに合わせてカスタマイズおよび調整できる圧電材料を開発しています。この柔軟性により、さまざまな業界や使用例の振動特性と要件に合わせて材料を最適化できます。

持続可能性：材料の進歩は持続可能性にも焦点を当てています。環境に優しく鉛を含まない圧電材料は、環境規制と持続可能性の目標に合わせて開発されています。費用対効果の高いソリューション：高性能材料は不可欠ですが、研究者は圧電エネルギーハーベスティングシステムをよりアクセスしやすいものにするための費用対効果の高いソリューションも模索しています。これには、パフォーマンスと手頃な価格の適切なバランスを見つけることが含まれます。統合：高度な圧電材料は、さまざまな構造やデバイスにシームレスに統合できるため、実用性と汎用性が向上します。この統合機能により、インフラストラクチャ、建物、さらには衣類でのエネルギーハーベスティングの新たな機会が開かれます。

結論として、圧電材料の進歩は、世界の圧電エネルギーハーベスティングシステム市場におけるイノベーションの最前線にあります。これらの材料は、エネルギーハーベスティングシステムの効率、信頼性、持続可能性を向上させ、さまざまな業界での適用範囲を拡大し、市場の成長を促進する鍵を握っています。この分野の研究が進むにつれて、将来的にはさらにエキサイティングな開発とアプリケーションが期待できます。

セグメント別インサイト

テクノロジーインサイト

光エネルギーハーベスティングが市場を支配しますが、圧電エネルギーハーベスティングシステム市場は、光エネルギーハーベスティングと電磁エネルギーハーベスティングに分かれています。2019年には、光エネルギーハーベスティング技術がエネルギーハーベスティングシステム市場で最大のシェアを占めました。光エネルギーハーベスティングの成長は、ビルディングオートメーション、コンシューマーエレクトロニクス、セキュリティアプリケーション向けのソーラー製品の製造に携わる企業数の増加にも起因しています。一方、電磁ハーベスティングは、流体の流れと電磁誘導によって流れエネルギーを電気エネルギーに変換するものです。エネルギーハーベスターの発生電圧を推定するための有限要素モデルが開発されています。

地域別インサイト

予測期間中、北米が市場を支配すると予想されます。この地域での技術の進歩が継続的かつ急速なため、北米は再生可能エネルギーを採用し、エネルギーハーベスティングシステムの需要を促進するビルおよびホームオートメーションへの投資にとって最も重要な市場として浮上しています。

この地域の収益の大部分は米国からのものです。米国をエネルギー自立国家にするという政府の意図と、産業および輸送部門の繁栄により、この業界は大幅な拡大を経験すると予想されています。

他の市場と比較して、北米市場では産業用 IoT の採用率が高く、エネルギーハーベスティングシステムの必要性が高まっています。

時代遅れの公共の建物からのエネルギー排出を削減するための政府プログラムも、この成長に貢献しています。たとえば、米国一般調達局が IBM と締結した契約により、連邦政府の最もエネルギー集約的な建物 50 棟に、洗練されたスマートビルディングテクノロジーが導入される予定です。

さらに、スマートシティプロジェクトの開始により、地元の市場環境が変化しました。この取り組みでは、全国のスマートシティ構築に携わる都市、企業、大学間のコラボレーションと知識共有を促進するイベントを開催するほか、さまざまな助成金や資金提供パッケージも提供しています。

最近の開発状況

• 2022 年 9 月、E-Peas SA と Energous Corporation は、スマートビル/スマートホーム、産業用 IoT 医療、小売店や倉庫の資産追跡システム向けのエネルギー ハーベスティング アプリケーション向けに開発された新しいワイヤレス エネルギー ハーベスティング評価キットの発売を発表しました。このキットには、同社の 1W WattUp PowerBridge トランスミッターが含まれており、デバイスメーカーがさまざまな接続デバイスにワイヤレス電力とエネルギーハーベスティングを実装できるようにする無線ソリューションを提供します。また、e-peas の 2 つの評価ボード (AEM30940 RF 評価ボードと EP112 エネルギーハーベスティング最適化アンテナ評価ボード) も含まれています。

主要市場プレーヤー

• Powercast Corporation
• Texas Instruments Incorporated
• 富士通株式会社
• ABB Ltd.
• Honeywell International Inc.
• STMicroelectronics NV
• EnOcean GmbH
• Voltree Power Inc.
• Bionic Power Inc.
• Energy Partners.