Yamaguchi/Endo ITmag lab
Electromagnetic Theory Divistion
Dept. of EE/ECE, Tohoku University

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(工事中)
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圧電シートによるエネルギーハーベスティング技術の創出


 

図1 周りの環境に存在するエネルギー

  近年,環境中に存在するエネルギーを充電や燃料補給なしに電力に変換するエネルギーハーベスティング技術が,長期間エネルギー供給が可能でクリーンな電源として注目を集めています. 身の回りには今まで無駄になっていたエネルギーが多く存在し,少しでも有効に活用しようということがコンセプトとなっております. 図1に私たちの身の回りに存在するエネルギーを示しています. 主なエネルギー源として光,熱,振動および電磁波が存在し,振動はとてもエネルギー密度の高いエネルギー源として期待されています.

 振動を利用した発電の中に,圧電シートと呼ばれる,力を加えると電気が発生する材料を利用する方法がよく知られています. しかしながら,この材料は内部インピーダンスが高く発生したエネルギーの大半が圧電シート内部で消費され,外部に取りだせないという課題があります.


圧電振動発電の原理

 

図2 圧電シートを用いた場合における発電の様子

 
 図2に圧電素子の発電原理を説明した概略図を示しています. 圧電シートは伸縮性のある材料であり,例えば自動車のタイヤ等に張り付けておくことで,自動車の走行時の力を受けて発電を行うことができます. 自動車のタイヤ1回転ごとに圧電シートに力が加わり,その力は圧電シート内部で分極を生じさせます. 分極によって圧電シートの両端に電圧を生じ,電気として取り出すことができます. この圧電シートは抵抗が非常に高く数 MΩであるため,電気としてエネルギーを取り出すことは困難です. そこで,電気としてエネルギーを効率的に取り出すための回路を開発し,試作しました.

自動車の振動を再現した装置と高効率化回路



図3 振動発生装置全体図 


  

図4 高効率化のための試作回路

                     
 
 図3には研究グループで開発した,振動発生装置を示しています. これは中に内蔵されたモータによって,圧電シートを伸縮させ,歪みを加えることによって発電を行う仕組みとなっています. 圧電シートで発電したエネルギーを効率的に取り出すために図4に示したような回路(SSHI回路)を利用しました. この回路は圧電シートの持つ容量と外部回路に持ちインダクタが共振することで,圧電シートの抵抗を実効的に低減させます.


電気エネルギーとしてコンデンサに取り出した結果


 

図5 蓄積コンデンサへの電荷の蓄電量

 
図5には実際に振動発生装置を用いて,コンデンサに蓄積された電荷を測定した結果を示しています. ダイオードのみを用いたブリッジ回路(全波整流回路)と比較したところ,試作した回路を用いた時の方が5.1 倍多くの電荷を蓄電することが可能となりました. 今後は実際に自動車のタイヤ内に圧電シートと試作回路を実装する実験をしたいと考えています.





参考資料:1) http://jp.fujitsu.com/journal/strength/technologies/201101.html<br><br>


 
Last updated on November 22th, 2012.
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