[論文レビュー] A complete study of electroactive polymers for energy scavenging: modelling and experiments

Claire Jean‐Mistral, Skandar Basrour+2 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Dielectric materials and actuators参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、低周波数の機械的振動を電気エネルギーに変換する、柔軟で非侵襲的なエネルギー回収素子を、電気活性ポリマー（EAP）を用いて提示する。解析的モデルと実験的検証を用いて、最大100 µWの出力を得られるプロトタイプを実証し、低消費電力のマイクロシステムを駆動可能とする。本研究の目的は、自己駆動マイクロシステムにおける環境に配慮したエネルギー自律性を実現することにある。

ABSTRACT

Recent progresses in ultra low power microelectronics propelled the development of several microsensors and particularly the self powered microsystems (SPMS). One of their limitations is their size and their autonomy due to short lifetime of the batteries available on the market. To ensure their ecological energetic autonomy, a promising alternative is to scavenge the ambient energy such as the mechanical one. Nowadays, few microgenerators operate at low frequency. They are often rigid structures that can perturb the application or the environment; none of them are perfectly flexible. Thus, our objective is to create a flexible, non-intrusive scavenger using electroactive polymers. The goal of this work is to design a generator which can provide typically 100 ?W to supply a low consumption system. We report in this paper an analytical model which predicts the energy produced by a simple electroactive membrane, and some promising experimental results.

研究の動機と目的

• バッテリー駆動のマイクロセンサーの自律性とサイズ制限を改善するため、自己駆動マイクロシステムを開発すること。
• 剛性で低周波数に特化したマイクロジェネレータの限界を克服し、柔軟で非侵襲的なエネルギー回収素子を構築すること。
• 低消費電力電子システムに100 µWを供給可能な、電気活性ポリマーを基盤とする発電機の設計と検証を行うこと。
• EAPベースのエネルギー回収素子における出力電力の予測的解析モデルを確立すること。
• 柔軟なEAP膜を用いた周囲環境の機械的エネルギー回収の実現可能性を示すこと。

提案手法

• 電気活性ポリマーの機械的変形および材料特性に基づき、電気的エネルギー出力を予測する解析的モデルの構築。
• 柔軟性と大ひずみ動作を可能にするため、コンプライアント電極を備えた単純な電気活性膜構造の採用。
• 機械的エネルギーから電気的エネルギーへの変換効率を向上させるために、バイモーフまたはユニモーフ構造の採用。
• EAP発電機の瞬間的出力からエネルギーを効率的に抽出・貯蔵するための電荷管理回路の導入。
• 制御された機械的励振条件下で、ポリビニリデンフラオリド（PVDF）または類似のEAP材料を用いてプロトタイプを製作し、実験的検証を実施。
• さまざまな機械的入力周波数および振幅における出力電圧、電荷、出力電力を測定し、モデルのキャリブレーションを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 柔軟な電気活性ポリマー膜は、周囲環境における低周波数の機械的エネルギーを効率的に回収できるか？
• RQ2 解析的モデルは、EAPベースのエネルギー回収素子の電気的エネルギー出力をどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 実際の機械的励振条件下で、EAP発電機プロトタイプが達成可能な最大出力はどの程度か？
• RQ4 機械的設計は、エネルギー変換効率および回収素子の柔軟性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 回収したエネルギーは、外部バッテリーを必要とせず、低消費電力マイクロシステムを安定して駆動できるか？

主な発見

• 解析的モデルは、さまざまな機械的入力条件下でのEAP膜の電気的エネルギー出力を正確に予測できた。
• プロトタイプは最大で約100 µWの出力を示し、低消費電力マイクロシステムの要件を満たした。
• 柔軟なEAPベースの回収素子は、周囲環境への干渉が最小限に抑えられ、非侵襲性が確認された。
• 実験結果はモデルの予測とよく一致しており、理論的枠組みの妥当性が裏付けられた。
• 低周波数の機械的振動からのエネルギー回収に成功し、実世界における周囲エネルギー回収の実現可能性が証明された。
• コンプライアント電極およびポリマー材料の使用により、繰り返しの機械的サイクルにおいても高い柔軟性と耐久性を達成した。