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B会場（白鳥）

環境・エネルギー

10：45～11：10

柔軟発電素材を用いた環境発電（エネルギー・ハーベスト）

広島大学

大学院工学研究院　エネルギー・環境部門　輸送・環境システム専攻

准教授　陸田秀実

大学院工学研究院　機械システム・応用力学部門　輸送・環境システム専攻

助教　田中義和

●　プレゼン技術の概要本研究グループが開発した柔軟発電素材を用いて，種々の自然エネルギー（潮流・潮汐・波，風力など）を回収できる「自然エネルギー発電技術」と，各種産業機器等から発生する機械振動エネルギーを回収できる「振動力発電技術」について紹介する。

●　従来技術・競合技術との比較柔軟発電素材は，高分子発電フィルムと様々な種類の弾性素材（例えば，ゴム，シリコン，樹脂など）を積層した構造様式となっている。この素材に，自然エネルギーや振動エネルギーが作用すると，弾性変形し，電気エネルギーを生み出す発電方式であり，従来にはない新しい発電技術である。

●　プレゼン技術の特徴・海洋エネルギー発電への適用例を紹介する。・風力エネルギー発電への適用例を紹介する。・各種産業機器による振動エネルギー発電への適用例を紹介する。

●　想定される用途・海洋，水力，風力等を用いた自然エネルギー発電・産業機械や構造物等による振動を用いた振動エネルギー発電・その他，適宜カスタマイズを行うことによって，種々の外力をエネルギーに変換（ハーベスト）できる可能性がある。

広島大学大学院工学研究院広島大学大学院工学研究院

エネルギー・環境部門 陸田秀実

機械システム・応用力学部門 田中義和機械システム 応用力学部門 田中義和

柔軟発電素材を用いた環境発電ーエネルギー・ハーベストーエネルギ ・ハ ベスト

研究背景

エネルギーハーベスト（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．

環境発電環境発電

潮流力

波力

力学的 ネル

電磁波

風力潮流力

力学的エネルギーハーベスト

地産地消型水力

熱

中小規模分散型（安全 安心）

振動力 振動力

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

（安全・安心）振動力 振動力

技術の概要

柔軟発電素材は，種々の自然エネルギー（潮流・潮汐・波，風柔軟発電素材は，種 自然 ネルギ （潮流 潮汐 波，風力など）を回収できる「自然エネルギー発電技術」と，各種産業機器・防振部品等から発生する機械振動エネルギーを回収できる「振動力発電技術 であるきる「振動力発電技術」である．

PVDF厚さ40～200μm

圧電フィルム圧電フィルム

短冊・パネル型 圧着・積層

圧電フィルムPVDF

圧電フィルムPVDF①曲げ変形型①曲げ変形型

弾性材（ゴム，シリコン等）

弾性材（ゴム，シリコン等）②圧縮変形型②圧縮変形型

ロール型

従来技術との相違点

柔軟発電素材は 高分子発電フィルムと様々な種類の弾性素材（例えば圧電フィルムと弾性材を積層・圧着した発電体 外力が作用柔軟発電素材は，高分子発電フィルムと様々な種類の弾性素材（例えば，ゴム，シリコン，樹脂など）を積層した構造様式となっている．この素材に，自然エネルギーや振動エネルギーが作用すると，弾性変形し，電気エネルギ を生み出す発電方式であり 従来にはない新しい発電技術である

圧電フィルムと弾性材を積層 圧着した発電体．外力が作用すると柔軟に変形する．

流体（水，空気など）や振動体など，様々なエネルギー源をルギーを生み出す発電方式であり，従来にはない新しい発電技術である．

活用できる．

簡便な発電機構，タービン等が不要．エネルギー変換ロスが少ない少ない．微小エネルギーをも吸収し，発電できる．

発電規模に応じたカスタマイズが容易 小規模から大規模展発電規模に応じたカスタマイズが容易．小規模から大規模展開まで柔軟に対応可能．既存の設備（インフラ設備や工場機械など）に装着可能．低コスト．

曲げ変形型の発電原理

自然エネルギー 圧電効果

PVDFに働く引張り・圧縮

圧電フィルム(PVDF)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PVDFに働く引張り・圧縮 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．

PVDFに生ずる内部ひずみ

弾性素材出力は変形速度に比例

曲げ変形型曲げ変形型

電気エネルギー弾性素材

圧電フィルム

圧電フィルム

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

自然エネルギーや振動エネルギ による外力振動エネルギーによる外力

曲げ変形型の特徴

Center line 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）

PVDF

Silicon

Silicon

Tension

Cδ

弾性素材

弾性素材

圧電フィルム

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

PVDF

SiliconCompression

Force & Vibration

弾性素材

圧電フィルム

高周波振動で発電が大きい

発電性能に関わる重要なパラメータ☆圧電フィルム間距離δ

Force &  Vibration

発電量の時間変化☆圧電フィルム間距離δ

☆圧電フィルム積層数（10枚積層で2枚積層の400倍超の発電量）

時間変化

形状は自由 設計 能

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 発電量の

形状は自由に設計可能低コスト

少なく，エネルギ ロスが数ない．エネルギー変換効率が高い．

周波数特性

曲げ変形型の使用例（１）

波浪 潮流エネルギ 風力エネルギ による発電例波浪・潮流エネルギー，風力エネルギーによる発電例

曲げ変形型の使用例（２）

植栽型 膜型

風力発電の例

Wind

植栽型 膜型

Wi dWind

防波堤護岸設備

海洋エネルギー発電の例世界第6位

護岸設備

第6位パネル装着型

テトラポット

浮体型防波堤

曲げ変形型の使用例（３）

新しい海洋エネルギー発電装置の試作新しい海洋エネルギ 発電装置の試作

弾性浮体ユニット型

カキ筏をヒント！

柔軟発電素材素材

単位面積当たりの発電単位面積当たりの発電量は，太陽光発電パネルとほぼ同じ．※数百m規模の大型化が可能．稼働率が高い．

振動力発電への応用

引張 ねじれ

0

10

20

30

ltage

(V)

246

age

(V)

-30

-20

-10

01 2 3

Out

put v

o

Time (sec) -8-6-4-20

1 2 3

Out

put v

olta

8Time (sec)

柔軟発電体は、引張変形、ねじれ変形でも発電可能

各種産業機械・部品の振動によ形でも発電可能出力は、変形速度に依存する

各種産業機械 部品の振動による発電（振動力発電）への応用

パレット

防振ゴム 空気ばね フレキシブルジョイント倉敷化工様HPより

振動力発電への応用例

防振ゴムに取り付ける実験パイプに取り付ける実験

Case3:大きい防振ゴムの円周方向Case4:小さい防振ゴムの円周方向

Case1:円周方向Case2:流れ方向

室外機 部

室外機に取り付ける実験 耐久試験機を利用した実験

Case5:室外機上部Case6:室外機中央部

Case7:ホースにデバイスを取り付ける

実験結果

Case4:小さい防振ゴムの円周方向Case3:大きい防振ゴムの円周方向

防振ゴムに取り付ける実験

Case3 Case4

Ave(V) 4.34×10‐2 9.51×10‐2

Ave (mW/m2) 8.09×10‐4 3.91×10‐3

防振ゴムの外側に設置するだけで、発電できることを確認

実験結果

Case5:室外機上部 Case6:室外機中央部

室外機に取り付ける実験

Case5 Case6

Ave(V) 1.85×10‐2 1.20×10‐2

Ave (mW/m2) 1.36×10‐4 6.40×10‐5

取り付け場所によって発電量が変わる

振動力発電への応用例（まとめ）

Table1 デバイス諸元Table1 デバイス諸元

デバイス長 100mm

デバイス幅 50mm

使用デバイス

デ イ 幅

PVDF長 90mm

PVDF幅 40mm

厚さ0.5mmと1mmの

シリ ンを 用 PVDF厚さ 40μシリコーンを、用いた三層構造

Case Number 1 2 3 4 5 6 7

平均電圧(V) 1.51×10-3 1.27×10-2 4.34×10-2 9.51×10-2 1.85×10-2 1.20×10-2 2.19×10-2

平均発電量(mW/m2) 9.98×10-7 7.35×10-5 8.09×10-4 3.91×10-3 1.36×10-4 6.40×10-5 3.15×10-4

機械振動で柔軟発電体を発電できることを確認

約20μW

機械振動で柔軟発電体を発電できることを確認。今回は、Case4が最も単位面積当たりの発電量が大きかった。

圧縮変形型の発電原理と特徴

広がるように変形特徴

ゴム材料 広がるように変形圧電フィルムが伸び、発電圧電フィルム内での電力の打ち消しが発生しにくい

圧電フィルム

生しにくい

圧電フィルム

新しい柔軟発電デバイス縦に設置して圧縮し

荷重

圧電フィルムとゴム材料をロール状に巻きつけた圧縮変形型デバイスを開発した

縦に設置して圧縮しても発電が可能

振動荷重

圧縮変形型の原理と特徴

台車を用いた実験

台車にデバイスを置き、上重りを 台に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-Case9(1-3s)

Max(V) 13.97

Ave(V) 2.11×10-2

Max(mW/m2) 11.62

Ave(mW/m2) 1.14

振動力発電への適用用途

防波堤マウントへの適用

防波堤

防波堤の側面に設置し、波による振動を円形デバイスで得よる振動を円形デバイスで得るイメージ エンジンや工作機械などのマウ

ント部に防振材として円形デバイスを適用したイメージサスペンションへの適用

室外機

設置条件に応じてデバイスを設計することが今後必要

実用化の検討・課題

発電性能の向上発電性能の向上弾性素材，圧電素材の選定と組み合わせ構造様式の改良 最適化構造様式の改良・最適化

発電コストの削減安価な素材利用安価な素材利用大量生産

蓄電性能の向上蓄電性能の向上大規模発電に向けた製造方法

☆開発スケジュール1～3年後までに実証試験．1 3年後までに実証試験．4～5年後の実用化を目指す．

想定される用途

柔軟発電素材は 空気や水の流れエネルギーのみならず柔軟発電素材は，空気や水の流れエネルギ のみならず，様々な振動エネルギーを，電気エネルギーに変換できる．

波力発電，潮力発電，海流発電など．水力発電風力発電振動力発電（様々な産業用機械，車両）振動力発電（様 な産業用機械，車両）上記を組み合わせたハイブリッドタイプ

様々な用途にあわせて，カスタマイズが容易であるため，微小なエネルギーから大きなエネルギーまで 幅広くエネルギ ベステ ングが可能まで，幅広くエネルギー・ハーベスティングが可能．

企業への期待

• 柔軟発電素材は 様々な種類の弾性素材の圧電素子の組• 柔軟発電素材は，様々な種類の弾性素材の圧電素子の組み合わせ，構造様式の創意工夫によって，幅広い分野への活用・応用が期待できる．活用 用 期待 る

• 弾性材料メーカー，圧電素材メーカーとの共同研究を希望．

• 波浪，潮流，水力エネルギー，風力エネルギーを利用した新波浪，潮流，水力エネルギ ，風力エネルギ を利用した新規発電事業を考えている企業と共同研究を希望．

• 身の回りに散在する様々な振動エネルギーを活用した新規振動 規発電事業を考えている企業と共同研究を希望．

知的財産権

【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【発明の名称】 海洋 ネルギ 発電デバイス及びこれを用いた蓄電装置【公開番号】 特開2011-106434 【出願人】 国立大学法人広島大学【発明者】 陸田秀実 田中義和 他2名【発明者】 陸田秀実，田中義和，他2名．

【発明の名称】 発電装置、及び発電デバイス【発明 名称】 発電装置、及 発電【出願番号】 特願2011-107680 【出願人】 国立大学法人広島大学【発明者】 陸田秀実 田中義和 他2名【発明者】 陸田秀実，田中義和，他2名

【発明の名称】 風力発電デバイス、及び風力発電装置【出願番号】 特願2011-142342【出願人】 国立大学法人広島大学【発明者】 陸田秀実 田中義和 他2名【発明者】 陸田秀実，田中義和，他2名

※さらに，もう1件申請予定（11月末頃）

お問い合わせ先

広島大学産学・地域連携センター広島大学産学・地域連携センター広島大学産学 地域連携センタ国際・産学連携部門TEL 082-421-3631

広島大学産学 地域連携 ンタ

FAX 082-421-3639E-mail : techrd@hiroshima-u.ac.jp

広島大学大学院工学研究院広島大学大学院工学研究院

エネルギー・環境部門 陸田秀実TEL 082-424-7778E mail : mutsuda@naoe hiroshima u ac jpE-mail : mutsuda@naoe.hiroshima-u.ac.jp機械システム・応用力学部門 田中義和TEL 082-424-7814TEL 082 424 7814E-mail : yoshi@naoe.hiroshima-u.ac.jp