柔軟発電体を用いた自然エネルギーによる発電の研究(Study of power generation by renewable energy using FPED)

広島大学大学院工学研究院

機械システム・応用力学部門 田中 義和

エネルギー・環境部門 陸田 秀実

講演内容

研究背景と目的

柔軟発電素材の概要

構造様式，発電原理，基本特性，性能向上

発電予測の理論計算法

風力・海洋エネルギー発電への適用例

振動エネルギー発電への適用事例

知的財産（特許）

まとめと今後の課題

身の回りのエネルギー

http://www.cnx-software.com/wp-ontent/uploads/2010/11/energy_harvesting_at_home_and_outside.png

エネルギーハーベスティング＝環境発電身の回りに散在する様々なエネルギーを電気として利用すること．

地産地消型

環境発電

中小規模分散型（安全・安心）

振動力

風力潮流力

水力

波力

熱

力学的エネルギーハーベスト

電磁波

振動力

大規模集中型からの脱却

振動力

研究目的

• 種々の自然エネルギー（潮流・潮汐・波浪・砕波・渦，風力など）を回収できる発電方式を提案・開発する．

• 各種産業機器・自動車，橋，歩行等から発生する振動エネルギーを回収できる振動力発電方式を提案・開発する．

＜開発項目＞

①柔軟発電素材の構造様式・素材・性能向上

②風力・海洋エネルギー発電への応用

③振動エネルギー発電への応用

④発電理論，発電シミュレーション法の構築

講演内容

研究背景と目的

柔軟発電素材の概要

構造様式，発電原理，基本特性，性能向上

発電予測の理論計算法

風力・海洋エネルギー発電への適用例

振動エネルギー発電への適用事例

知的財産（特許）

まとめと今後の課題

柔軟発電デバイス

厚さ40～200mm

圧電素材(PVDFなど）

弾性材（ゴム，シリコン，薄膜素材等）

ロール型

圧着・積層

弾性素材（シリコン，ゴムなど）と高分子圧電フィルムからなる薄型積層タイプの発電体．様々な外力が作用すると，柔軟に変形（引張，せん断，曲げ，圧縮）し，電気エネルギーを発生．

パネル型

ロール型

圧縮型

パネル型の使用例

空気中加振（ソフトタイプ） 空気中加振（ハードタイプ） LED発光の様子

波浪中 一様流中 水中加振

発電原理

自然・振動エネルギー

圧電素材に働く曲げ・圧縮・引張

圧電素材に生ずる内部ひずみ

電気エネルギー

圧電素材（PVDFなど)は，圧力によ

り変形する際に電圧を発生させる圧電変換素子．機械エネルギーを電気エネルギーに変換できる．

柔軟素材であるため，微小外力に対しては柔軟に変形し発電可能！

弾性素材

弾性素材

弾性素材

圧電フィルム

圧電フィルム

出力は変形速度に比例

圧電効果

自然エネルギーや振動エネルギーによる外力

パネル型（曲げ変形）の例

構造様式の特徴

軽量，薄型 微小な外力でも変形し発電 自由な形状（カスタマイズ） 水中，空気中どこでも使用可 変形速度に比例した発電性能 高周波振動で発電が大きい

形状は自由に設計可能低コスト

発電性能に関わる重要なパラメータ☆圧電素材間の距離δ

☆圧電素材の積層数

一次変換効率という概念がないため，電気エネルギーに変換する際の工程が少なく，エネルギーロスが数ない．

変換効率が高い（応答性，感度）．

PVDF

PVDF

Silicon

Silicon

Silicon

Tension

Compression

Force & Vibration

C

Center line

δ

弾性素材

弾性素材

弾性素材

圧電素材

圧電素材

特徴

発電量の時間変化

発電量の周波数特性

せん断応力分布

11 22

31 32 33

31 32 33

, :

, , :

, , :

E E EC C C

e e e

垂直ひずみ

圧電フィルムの剛性

圧電応力定数

31 32 33

2

31 32 33

3GPa

75, 6, 105mC/m

E E EC C C

e e e

ヤング率 3GPa

発電と力学的特性

EdTD

EdTsS

T

tE

strain

圧電方程式（d形式）

（例）A社の場合

PVDFの面積を とすると，電流 は

dAdt

d

C

CeedA

dt

d

C

Cee

dt

AdDi

E

E

E

E

2

33

323332

1

33

313331

3

dAdt

ddA

dt

di 2

21

1

dAA i

どの方向の面内応力・ひずみを生かすか？

①圧電素材そのものに関わる項

②デバイスの構造様式と弾性材に関わる項その他の項目：流体構造連成効果，電気回路設計

デバイス開発のポイント

dAdt

ddA

dt

di 2

21

1

①圧電素材の性能• 出力向上• 異方性考慮• 剛性など

②デバイスの構造様式と弾性材に関わる項• 最大ひずみ量• ひずみ速度＝振動周波数，振動モード

• 流体力（波，流れ等）や振動力の効率的な獲得⇒構造流体連成問題

③電気回路• 並列，直列，併用，ロスなど• 蓄電• インピーダンスマッチング

パネル型 ロール型 圧縮型

T=0.7s40μm

T=0.7s

H=60mm

110μm

T=0.7s

H=60mm

PVDF厚さが薄いほど発電性能が高い曲げ剛性EIが小さくなり、変形が大きくなる

PVDF厚さ FPEDの曲げ剛性EI FPEDの密度

40[μm] 3.81×10-2[N・m2] 1.57[g/cm3]

80[μm] 7.44×10-2[N・m2] 1.54[g/cm3]

110[μm] 1.02×10-1[N・m2] 1.62[g/cm3]

dSEI

M

dt

d)(

2CV

起電力特性 ：

PVDF間距離：5mm PVDF長：255mm PVDF幅：40mm

FPED長：約290mm FPED幅：50mm

曲げ剛性の効果（水中加振）

Time (s)

Ou

tpu

tv

olt

ag

e(V

)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-20

-10

0

10

20Double Core 1

Double Core 2

Single Core

Time (s)

Ou

tpu

tv

olt

ag

e(V

)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-0.1

-0.05

0

0.05

0.1Single Core

LCδ=0

PVDF

(a) Single Core

PVDF

(a) Dual core type

LC

(b) Dual Core

δ

dual core ではsingle core の数百倍の発電量が得られる．

積層数の効果

フィルム間距離δの効果

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250

Ou

tpu

t v

olt

ag

e [V

]

h・f [mm/s]

δ=1mm

δ=5mm

Dual core type同士でもが大きいほうが発電量が大きくなる

周期的な振動においては，起電力は概ね h・f (mm/s)に比例するh : 片持ち先端の変形量f : 振動周期

PVDF

(a) Dual core type

LC

(b) Dual Core

δ

積層数の効果

2 層4 層6 層8 層

10 層

・・・Multi Layer structure

積層数 倍

10 420

20 2400

30 6200

40 11000

50 19000

推定倍率

内部構造の破壊等により，力学的に頭落ちは存在する

10 層

8 層

6 層

4 層2 層

振動周波数の影響

高周波振動によって，2次モードを発生させると，発電量が増大．変形速度に依存した発電量の増加，柔軟素材であるため高周波（100Hz超）～低周波側（数Hz）にも柔軟に対応可能．エネルギー獲得レンジが広い

パネル型の例

伸縮弾性素材による効果

PVDFElectrode part

Erastic body

0 10 20 30 40 50 600

20

40

60

80

100

120

Aver

aged

ele

ctri

c pow

er(m

W/m

2)

Frequency(Hz)

Erastic1

Com-Erastic1

伸縮素材

通常

0 100 200 300 400 500 600 7000

20

40

60

80

100

120

Av

erag

ed e

lect

ric

po

wer

(mW

/m2)

Rate of deformation(mm/s)

Erastic1

Com-Erastic1

1st mode

2nd mode

伸縮素材

通常

伸縮素材 or 通常樹脂

基盤材料として伸縮性樹脂を用いると大幅に発電量が増大する．

付加物・比重による効果

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 0.40

Ave

rage

d e

lect

ric

po

we

r (m

W/m

2 )

Cf

H/λ=0.077

比重0.9

比重0.8比重1.2

比重1.1

比重1.0

fC

B=100mm

柔軟発電デバイス

L=340mm

δ=5mm

100mm100mm

100mm

立方体型付加物

５０％増

１０％増加

蓄電化技術

蓄電試験の結果例

出力電圧の例 蓄電量の例

蓄電回路の試作

蓄電に成功！

講演内容

研究背景と目的

柔軟発電素材の概要

構造様式，発電原理，基本特性，性能向上

発電予測の理論計算法

風力・海洋エネルギー発電への適用例

振動エネルギー発電への適用事例

知的財産（特許）

まとめと今後の課題

理論的アプローチによる発電性能予測

非線形理論：材料非線形性・幾何学的非線形性を考慮した非線形方程式への拡張も可能

※英国ノッチンガム大学との共同研究圧電素材

弾性材

外力，振動周波数，剛性，弾性材，圧電素材，アスペクト比などをパラメータとして，予め発電量を予測することが可能＝設計ツールとして使用

構造流体連成解析への拡張！空気，水との相互作用を考慮可能

理論予測と実験の比較

デバイス変位 起電力

発電量と変位の予測例

デバイスの変位予測 起電力の予測

講演内容

研究背景と目的

柔軟発電素材の概要

構造様式，発電原理，基本特性，性能向上

発電予測の理論計算法

風力・海洋エネルギー発電への適用例

振動エネルギー発電への適用事例

知的財産（特許）

まとめと今後の課題

風力エネルギーへの応用（ベルト式）

280mm×40mm×1mm

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Av

era

ged

ele

ctri

c p

ow

er(m

W/m

2)

Wind speed(m/s)

Thin resin

Acryl hinge

Uniform resin

風力エネルギーへの応用（多関節型）

Case 1 Case 2 Case 3

Case 3

Case 2

Case 1 付加物を装着し，慣性力増大させ，発電量を向上．

多関節（モーメントフリー）による位相差．ギャロッピング現象共振時：最大200mW/m2達成

0 1 2 3 4 5 6 7 80.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2 Without roughness

With roughness

Av

erag

ed e

lect

ric

po

wer

(mW

/m2)

Wind velocity(m/s)

(×10-3)

0 1 2 3 4 5 6 7 80.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

(×10-3)

Av

erag

ed e

lect

ric

po

wer

(mW

/m2)

Wind velocity(m/s)

Without roughness

With roughness (φ=30mm)

Styrene foam

String

FPED

Elastic Material with Embossing

PVDF

Conductor

Roughness surface

Examples of roughness type

粗面乱流境界層

表面粗度を変え，圧力変動を励起し，デバイス変形を促進し，発電量を増大させる．

風力エネルギーへの応用（表面粗度）

CFDによる発電予測シミュレーション

Time(s)

Rate

of

defo

rmati

on

(cm

/s)

Ou

tpu

tv

olt

ag

e(V

)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-1

-0.5

0

0.5

1

-1

-0.5

0

0.5

1

Point3(cm/s)

FPED(V)

Pressure(Pa): -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30

s train

0.001

0.0005

0

-0.0005

-0.001y

T=0.74[s]

T=0.74[s]

T=0.80[s]

T=0.80[s]

x

構造・流体連成解析による発電予測シミュレーション

縦列配置

風上側の乱れ

風下側の変形促進

発電量増大

風力エネルギータイプ

Wind

Wind

※ Li, S. and Lipson, H.: Proc. of the

ASME, SMASIS2009植栽型 膜型

穂波型

PVDF

110μm

薄膜樹脂

圧電フィルムと薄膜樹脂素材による積層タイプ⇒はためき

超薄型柔軟発電デバイス

洋上風力発電施設とのハイブリッド化

沖合への展開を見据えて，

浮体部と垂下部からなる垂下式弾性浮体ユニットを提案・開発．

浮体部

垂下部

柔軟発電デバイス

水平板 ： 波浪，砕波による発電垂直版 ： 潮流，渦による発電 想定出力

100MWクラス

海洋エネルギー発電装置

水面下の様子

実験の様子

約2.2m

実機の1/100～1/150スケール模型製作， デバイスはdual type

日本近海の波浪条件（波高3～8m，周期5～10sec）

約1.2m

幅8m

長さ100m

水深3.5m

実験の様子

計測装置

広島大学所有の曳航水槽，回流水槽，波浪水槽を使用

実験ビデオ映像

結果は発表時

＜既往研究＞カキ筏模型の波浪性能試験

＜横から見た映像＞波向き： 右から左

浮体部（白）が波周期に同調して振動し，デバイス（黄）が変形（１次モード）

波長と周期に依存して，波乗りするほど，変位量・変位速度が変化する．

実験ビデオ映像

＜正面から見た映像＞波向き： 手前から奥へ浮体部が波周期に同調して変形

先頭の浮体が片持ち振動状態となり，変位が大きい

＜水中カメラによる垂下部の映像＞水平パネル：波の上下揺れ振動で変形垂直パネル：波の横揺れ振動で変形

0 2 4 6 8-0.8

-0.4

0

0.4

0.8

t(sec)

z/H

Front Marker Back Marker

3 4 5 6 7 8-3

-2

-1

0

1

2

3

-4

-2

0

2

4

Pit

ch [

deg

.]

t(sec)

Wate

r E

levat

ion [

cm]

Pitch motion Water Elevation

浮体部の運動の様子

0 0.02 0.04 0.060

0.2

0.4

0.6

0.8

1

H/λ

KT

D/λ=0.39 =0.88

発電量の高いD/λ=0.39の場合消波効率KT=0.8～0.9となる．

浮体部が波乗りした場合に発電量が大きい．

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060

10

20

30

H/λ

Av

era

ged

Ele

ctr

ic P

ow

er

[mW

/m2]

Device A Device B Device C Device D Device E

D/λ=0.39

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060

10

20

30

H/λ

Avera

ged

Ele

ctr

ic P

ow

er

[mW

/m2]

Device A Device B Device C Device D Device E

D/λ=0.39

Wave

Wave

浮体部の発電量

垂下部の発電量

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060

10

20

30

40

50

H/λ

Av

era

ged

Ele

ctr

ic P

ow

er

[mW

/m2]

Bottom(Horizontal) Bottom(Vertical)

D/λ=0.39

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060

10

20

30

40

50

H/λ

Avera

ged E

lectr

ic P

ow

er

[mW

/m2]

Middle(Horizontal) Middle(Vertical)

D/λ=0.39

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.060

10

20

30

40

50

H/λ

Av

era

ged

Ele

ctr

ic P

ow

er

[mW

/m2]

Top(Horizontal) Top(Vertical)

D/λ=0.39

Top

Middle

Bottom

波高が小さい場合であってもバラスト水によるスロッシング効果によって発電量の増大

0 0.02 0.04 0.060

500

1000

1500

2000

H/λ

Str

ain

[μ

ST

]

D/λ=0.39 =0.88

Hanging Unit (Top)

0 0.02 0.04 0.060

500

1000

1500

2000

H/λ

Str

ain

[μ

ST

] D/λ=0.39 =0.88

Floating Unit

圧電素材のひずみ量が最大ではないため，伸びしろがまだある．現状50～75%程度．

バラスト水とひずみ量

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.050

10

20

30

H/λ

Aver

aged

Ele

ctr

ic P

ow

er [

mW

/m2]

d/D=0.015 d/D=0.062 d/D=0.119 バラスト水

講演内容

研究背景と目的

柔軟発電素材の概要

構造様式，発電原理，基本特性，性能向上

発電予測の理論計算法

風力・海洋エネルギー発電への適用例

振動エネルギー発電への適用事例

知的財産（特許）

まとめと今後の課題

39

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8

Ou

tpu

t V

olt

age

(V

)

Time (s)

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

5.5 6 6.5 7

Ou

tpu

t V

olt

age

(V

)

Time (s)

-150

-100

-50

0

50

100

7.3 7.5 7.7 7.9 8.1 8.3

Ou

tpu

t V

olt

age

(V

)

Time (s)

①人が踏む ②車（10ｋｍ）が踏む ③車（20ｋｍ）が踏む

片足のみ前輪 後輪 前輪 後輪

歩行 or 自動車による発電（圧縮型デバイス）

橋の振動による発電（パネル型デバイス）

40

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

8 8.2 8.4 8.6 8.8 9

Ou

tpu

t V

olt

age

(V

)

Time (s)

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

9.3 9.5 9.7 9.9 10.1 10.3

Ou

tpu

t V

olt

age

(V

)

Time (s)

床板を人が歩いた場合 床板を車が通過した場合

ロール型デバイス

縦置きの場合

楕円形に潰れるようにデバイスが変形

周方向の変形とともに部分的に大きなひずみが加わると想定

圧電フィルムと弾性料をロール状に巻いたデバイス

横置きの場合 荷重

圧縮面が広がるようにデバイスが変形

デバイスには，周方向に引っ張り変形をする

荷重

横置き

縦置き

• 加圧盤がデバイス上端に接触するように配置• 横置き・縦置きそれぞれ計測• 全振幅1mm,3mm,5mmの３パターン• 圧電フィルム 40, 80, 110μm• 6～20Hzで2Hz刻みの計測• サンプリング周期1msec→10secの計測

実験条件

実験条件と方法

圧縮変位制御

KCメータ

直径約 80 mm,高さ 30 mm

出力の応答性

1ｍｍ 3ｍｍ 5ｍｍ

10Hz 10Hz 10Hz

10Hz 10Hz 10Hz

横置きの場合

縦置きの場合

1ｍｍ 3ｍｍ 5ｍｍ

• 振幅に比例して、出力電力も上がる• 横置きでは、最大で瞬間500 μW• 縦置きでは、最大で瞬間90 μW

横置き 縦置き

変位の影響

• 単位荷重で考えると縦置きのほうが発電効率がよい• 高周波で出力の差が大きくなる

80 振幅5mm 110 振幅10mm

荷重の影響

マウントの簡易試験

台車にデバイスを置き、上に6.8Kgの重りをのせ、台車を動かした

Case9

Max(V) 19.98

Max(mW/m2) 23.76

約0.4mW

Case9(1-

3s)

Max(V) 13.97

Ave(V) 2.11×10-2

Max(mW/m2) 11.62

Ave(mW/m2) 1.14

他社との比較

図：日経エレクトロニクス誌（オムロン，三洋電機，村田製作所より）

欧米に比べて日本は10年は遅れ．エネルギーハーベスティングコンソーシアム（2010.5設立）

工場機械防振材

人力

圧電素子を用いた振動力発電（速水ら，2006）

赤枠エリアをカバー 適用範囲が広い

講演内容

研究背景と目的

柔軟発電素材の概要

構造様式，発電原理，基本特性，性能向上

発電予測の理論計算法

風力・海洋エネルギー発電への適用例

振動エネルギー発電への適用事例

知的財産（特許）

今後の課題と展開

知的財産権

＜研究費サポート＞経産省 NEDO

文科省科学研究費JST科学技術振興機構各種財団企業など多数．

【発明の名称】発電素子，発電デバイス，発電ユニット及び発電素子の設置方法【出願番号】特願2013-85310 【出願日】H25年4月15日

【発明の名称】発光素子を備えた積層型発電体及びその発電装置【出願番号】特願2012-266427 【出願日】H24年12月5日

【発明の名称】積層型発電係留体【出願番号】特願2012-268636 【出願日】H24年12月7日

【発明の名称】振動発電デバイス【出願番号】特願2011-240206 【出願日】H23年11月1日

【発明の名称】風力発電デバイス、及び風力発電装置【特願2011-142342】H23年6月27日 【特開2013-9569】H25年1月10日

【発明の名称】発電装置、及び発電デバイス【特願2011-107680】H23年5月12日 【特開2012-237264】H24年12月6日

【発明の名称】海洋エネルギー発電デバイス及びこれを用いた蓄電装置【特願2009-265726】H21年11月20日 【特開2011-106434】H23年6月2日

講演内容

研究背景と目的

柔軟発電素材の概要

構造様式，発電原理，基本特性，性能向上

発電予測の理論計算法

風力・海洋エネルギー発電への適用例

振動エネルギー発電への適用事例

知的財産（特許）

まとめと今後の展開

まとめの今後の展開（１）

1. 柔軟発電素材の特徴• 各デバイスタイプの発電性能を向上させるために，形状アスペクト比，弾性素材選定，圧電素材の厚さ，積層数，デバイスの内部構造，振動数等の各種条件が明らかとなった．

2. 風力・海洋エネルギーへの適用例• 波及び流れエネルギーを効率よく獲得するための垂下部・浮体部の基本的な構造様式およびサイズが明らかとなった．また，運動特性，消波特性も明らかとなった．

• 風力発電用デバイスには，多関節型と表面粗度が有効である．3. 振動エネルギー発電への適用例

• パネル型，ロール型，圧縮型デバイスのいずれも各種振動エネルギーを電気エネルギーに変換し，その応答性も高い．

４．発電予測の理論計算法• モード分離した梁の運動方程式と圧電方程式をカップリングした理論計算法を構築し，デバイスの理論性能を予測した．

高出力デバイスの開発（素材）異方特性を考慮した圧電素材の開発起電力自体の向上最大歪み量を獲得可能な弾性材の開発

発電コスト，製造方法，発電効率現状は，市場ベースは難しい．太陽光：10～15倍，風力：20倍．積層の高密度化．手作りでは10層が限界．エネルギー変換効率の向上（波浪，流れ：10～15%程度）

理論および設計ツールの高度化・・・概ね開発済非線形理論計算法の確立発電評価シミュレーションCFDツールの開発

電気的な設計スケール相似則の検証（導出済）インピーダンスマッチング整流・蓄電回路の最適設計

今後の展開

まとめの今後の展開（２）

流体屋＋構造屋＋化学屋＋電気屋＋情報システム屋＋α屋で，総合的な研究開発チームが必須！

以上です

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